Вогнуто-выпуклая линза. Тонкие линзы

Все знают, что фотографический объектив состоит из оптических элементов. В большинстве фотографических объективов в качестве таких элементов используются линзы. Линзы в фотообъективе располагаются на главной оптической оси, образуя оптическую схему объектива.

Оптическая сферическая линза - это прозрачный однородный элемент, ограниченный двумя сферическими или одной сферической и другой плоской поверхностями.

В современных фотообъективах получили большое распространение, также, асферические линзы, форма поверхности которых отличается от сферы. В этом случае могут быть параболические, цилиндрические, торические, конические и другие криволинейные поверхности, а также поверхности вращения с осью симметрии.

Материалом для изготовления линз могут служить различные сорта оптического стекла, а также прозрачные пластмассы.

Все многообразие сферических линз можно свести к двум основным видам: Собирающие (или положительные, выпуклые) и Рассеивающие (или отрицательные, вогнутые). Собирающие линзы в центре толще, чем по краям, напротив Рассеивающие в центре тоньше, чем по краям.

В собирающих линзах проходящие через нее параллельные лучи фокусируются в одной точке за линзой. В рассеивающих линзах, проходящие через линзу лучи рассеиваются в стороны.

Илл. 1. Собирающая и рассеивающая линзы.

Только положительные линзы могут давать изображения предметов. В оптических системах дающих действительное изображение (в частности объективы) рассеивающие линзы могут быть использованы только вместе с собирательными.

По форме поперечного сечения различают шесть основных типов линз:

1. двояковыпуклые собирающие линзы;
2. плоско-выпуклые собирающие линзы;
3. вогнуто-выпуклые собирающие линзы (мениски);
4. двояковогнутые рассеивающие линзы;
5. плоско-вогнутые рассеивающие линзы;
6. выпукло-вогнутые рассеивающие линзы.

Илл. 2. Шесть типов сферических линз.

Сферические поверхности линзы могут иметь различную кривизну (степень выпуклости/вогнутости) и разную осевую толщину .

Давайте разберемся с этими и некоторыми другими понятиями, подробнее.

Илл. 3. Элементы двояковыпуклой линзы

На иллюстрации 3 можно увидеть схему формирования двояковыпуклой линзы.

• С1 и С2 - центры ограничивающих линзу сферических поверхностей, они называются центрами кривизны .
• R1 и R2 - радиусы сферических поверхностей линзы или радиусы кривизны .
• Прямая соединяющая точки С1 и С2, называется главной оптической осью линзы.
• Точки пересечения главной оптической оси с поверхностями линзы (A и B) называются вершинами линзы .
• Расстояние от точки A до точки B называется осевой толщиной линзы .

Если из точки, лежащей на главной оптической оси, направить на линзу параллельный пучок лучей света, то пройдя через нее, они соберутся в точке F , которая, также находится на главной оптической оси. Эта точка называется главным фокусом линзы, а расстояние f от линзы до этой точки - главным фокусным расстоянием.

Илл. 4. Главный фокус, главная фокальная плоскость и фокусное расстояние линзы.

Плоскость MN перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус, называется главной фокальной плоскостью. Именно здесь располагается светочувствительная матрица или светочувствительная пленка.

Фокусное расстояние линзы напрямую зависит от кривизны ее выпуклых поверхностей: чем меньше радиусы кривизны (т.е. чем больше выпуклость) - тем короче фокусное расстояние.

Линзы. Оптические приборы

Линзой называется прозрачное тело, которое ограничено двумя криволинейными поверхностями.

Линза называется тонкой , если ее толщина значительно меньше радиусов кривизны ее поверхностей.

Прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы. Если одна из поверхностей линзы является плоскостью, то оптическая ось проходит перпендикулярно к ней (рис.1).

Рис.1.

Точка тонкой линзы, через которую лучи проходят без изменения своего направления, называется оптическим центром линзы. Главная оптическая ось проходит через оптический центр.

Любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы, называется побочной осью линзы. Точка, в которой сходятся лучи света, идущие параллельно главной оптической оси, называется фокусом .

Плоскость, проходящая через фокус перпендикулярно к главной оптической оси, называется фокальной плоскостью .

Формула тонкой линзы (рис.2):

В формуле (1) величины a 1 , a 2 , r 1 и r 2 считаются положительными, если направления отсчета их от оптического центра линзы совпадают с направлением распространения света; в противном случае эти величины считаются отрицательными.

Линзы являются основным элементом многих оптических приборов.

Глаз, например, представляет собой оптический прибор, где роль линз выполняют роговица и хрусталик, а изображение предмета получается на сетчатке глаза.

Углом зрения называется угол, образованный лучами, которые проходят от крайних точек предмета или его изображения через оптический центр хрусталика глаза.

Многие оптические приборы предназначены для получения изображений предметов на экранах, на светочувствительных пленках или в глазу.

Видимое увеличение оптического прибора:

Линза в оптическом приборе, обращенная к предмету (объекту), называется объективом; линза, обращенная к глазу, называется окуляром. В технических приборах объектив и окуляр состоят из нескольких линз. Этим частично устраняются погрешности в изображениях.

Увеличение лупы (рис.3):

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы: В = 1/f . За единицу оптической силы линзы принята диоптрия (D ), равная оптической силе линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Оптическая сила двух тонких линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил.

Линза является оптической деталью, которая производится из прозрачного материала (оптического стекла или пластмассы) и имеет две преломляющие полированные поверхности (плоские или сферические). Возраст самой старой линзы, найденной археологами в Нимруде, составляет около 3000 лет.

Это говорит о том, что люди с очень древних времен интересовались оптикой и пытались создать с ее помощью различное оснащение, помогающее в повседневной жизни. Римские военные при помощи линз добывали огонь в походных условиях, а император Нерон использовал вогнутый изумруд как средство от своей близорукости.

Со временем оптика тесно интегрировалась в медицину, что позволило создавать такие устройства для коррекции зрения, как окуляры, очки и контактные линзы. Кроме того, сами линзы получили широкое распространение в различной высокоточной технике, которая позволила в корне изменить представления человека об окружающем его мире.

Что такое линза, какие она имеет свойства и особенности?

Любую линзу в разрезе можно представить, как две поставленные друг на друга призмы. В зависимости от того, какой стороной они соприкасаются друг с другом, будет различаться и оптическое действие линзы, а также ее вид (выпуклая или вогнутая).

Рассмотрим, что такое линза, более подробно. К примеру, если взять кусок обычного оконного стекла, грани которого параллельны, мы получим совершенно незначительное искажение видимого изображения. То есть, луч света входящий в стекло преломится, а после прохождения второй грани и попадания в воздух вернет прежнее значение угла с небольшим смещением, которое зависит от толщины стекла. Но если плоскости стекла будут находится под углом относительно друг друга (например, как в призме), то луч, вне зависимости от его угла, после попадания в данное стеклянное тело будет преломлен и выйдет в его основании. Это правило, позволяющее управлять световым потоком, лежит в основе всех линз. Стоит отметить, что все особенности линз и оптических приборов на их основе .

Какие существуют виды линз в физике?

Существует только два основных вида линз: вогнутые и выпуклые, также их называют рассеивающими и собирающими. Они позволяют разделить пучок света или наоборот сконцентрировать его в одной точке на определенном фокусном расстоянии.

Выпуклая линза имеет тонкие края и утолщенный центр, благодаря чему в разрезе
представляется как две соединенные основаниями призмы. Эта ее особенность позволяет собирать все лучи света, попадающие под разными углами, на одну точку в центре. Именно такими приспособлениями пользовались римляне для разжигания огня, поскольку сфокусированные лучи солнечного света позволяли создать на небольшом участке легко воспламеняемого предмета очень высокую температуру.

В каких приборах и для чего используются линзы?

С давних пор люди знали, что такое линза. Данная деталь использовалась в первых очках, которые появились в 1280-х годах в Италии. Позже были созданы подзорные трубы, телескопы, бинокли и многие другие устройства, которые состояли из множества различных линз и позволяли значительно расширить возможности человеческого глаза. На тех же принципах были построены и микроскопы, которые оказали значительное влияние на развитие всей науки в целом.

Первые телевизоры оснащались огромными линзами, которые увеличивали изображение
с миниатюрных экранов и давали возможность более детально рассмотреть картинку. Вся видео- и фототехника, начиная с самых первых устройств, оснащается линзами. Они устанавливаются в объектив для того, чтобы оператор или фотограф мог навести резкость или произвести приближение/отдаление изображения в кадре.

Большинство современных мобильных телефонов имеют камеры с автофокусировкой, в которых используются миниатюрные линзы, позволяющие получать четкие фотографии объектов, находящихся в паре сантиметров или в нескольких километрах от объектива устройства.

Не стоит забывать о современных космических телескопах (таких, как Хаббл) и лабораторных микроскопах, на которых также установлены высокоточные линзы. Данные приборы дают человечеству возможность увидеть то, что ранее было недоступно для нашего зрения. Благодаря им можно более детально изучить окружающий нас мир.

Что такое контактная линза и зачем она нужна?

Контактные линзы - это небольшие прозрачные линзы, изготавливаемые из мягких или
жестких материалов, которые предназначены для непосредственного ношения на глазу в целях коррекции зрения. Они были разработаны еще Леонардо Да Винчи в 1508 году, но изготовили их лишь в 1888 году. Изначально линзы производились только из твердых материалов, но со временем были синтезированы новые полимеры, которые позволили создать мягкие линзы, практически не ощутимые при ежедневном использовании.

Если вы хотите приобрести контактные линзы, тогда прочтите статью , чтобы больше узнать о данном приспособлении.

Виды линз

Отражение и преломление света используют для того, чтобы изменять направление лучей или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано создание специальных оптических приборов, таких, например, как лупа, телескоп, микроскоп, фотоаппарат и другие. Главной частью большинства из них является линза. Например, очки - это линзы, заключенные в оправу. Уже этот пример показывает, какое значение имеет для человека применение линз.

Например на первом рисунка колба такая, какой мы её видим в жизни,

а на второй, если будем смотреть на неё через лупу (та же линза).

В оптике чаще всего используют сферические линзы. Такие линзы представляют собой тела, изготовленные из оптического или органического стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями.

Линзами называют прозрачные тела, ограниченные с двух сторон кривыми поверхностями (выпуклыми или вогнутыми). Прямая АВ, проходящая через цетры С1 и С2 сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется оптической осью.

На этом рисунке изображены сечения двух линз с центрами в точке О. Первая линза, изображенная на рисунке, называется выпукло, вторая - вогнутой. Точку О, лежащую на оптической оси в центе указанных линз, называют оптическим центром линзы.

Одна из двух ограничивающих поверхностей может быть и плоской.

Слева линзы – выпуклые,

справа - вогнутые.

Мы будем рассматривать только сферические линзы, то есть линзы, ограниченные двумя шаровыми (сферическими) поверхностями.
Линзы, ограниченные двумя выпуклыми поверхностями, называются двояковыпуклыми; линзы, ограниченные двумя вогнутыми поверхностями, называются двояковогнутыми.

Направив на выпуклую линзу пучок лучей, параллельных главной оптической оси линзы, мы увидим, что после преломления в линзе эти лучи собирается в точке, которая называется главным фокусом линзы

- точка F. Главных фокусов у линзы два, с обоих сторон на одинаковом расстоянии от оптического центра. Если источник света находится в фокусе, то после преломления в линзе лучи будут параллельны главной оптической оси. У всякой линзы два фокуса - по одному с каждой стороны линзы. Расстояние от линзы до её фокуса называется фокусным расстоянием линзы.
Направим на выпуклую линзу пучок расходящихся лучей от точечного источника, лежащего на оптической оси. Если расстояние от источника до линзы больше фокусного, то лучи после преломления в линзе пересекут оптическую ось линзы в одной точке. Следовательно, выпуклая линза собирает лучи, идущие от источников, находящихся от линзы на расстоянии, большем её фокусного расстояния. Поэтому выпуклая линза иначе называется собирающей.
При прохождении лучей через вогнутую линзу наблюдается другая картина.
Пустим пучок лучей, параллельных оптической оси, на двояковогнутую линзу. Мы заметим, что из линзы лучи выйдут расходящимся пучком. Если этот расходящийся пучок лучей попадёт в глаз, то наблюдателю будет казаться, что лучи выходят из точки F. Эта точка называется мнимым фокусом двояковогнутой линзы. Такую линзу можно назвать рассеивающей.

Рисунок 63 поясняет действие, собирающих и рассеивающих линз. Линзы можно представить в виде большого числа призм. Поскольку призмы отклоняют лучи, как показано на рисунках, то понятно, что линзы с утолщением по середине собирают лучи, а линзы с утолщением по краям рассеивают их. Середина линзы действует, как плоскопараллельная пластинка: она не отклоняет лучи ни в собирающей, ни в рассеивающей линзе

На чертежах собирающие линзы обозначают так, как показано на рисунке слева, а рассеивающие - на рисунке справа.

Среди выпуклых линз различают: двояковыпуклые, плосковыпуклые и вогнуто-выпуклые (соответственно на рис.). У всех выпуклых линз середина разреза шире, чем края. Эти линзы называют собирающими. Среди вогнутых линз есть двояковогнутые, плоско- вогнутые и выпукло-вогнутые (соответственно на рис.). У всех вогнутых линз середина сечения уже, чем края. Эти линзы называют рассеивающими.

Свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом по зрительному ощущению.

• Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной среде распространяется прямолинейно
• Источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до экрана, называют точечным источником света.

• Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к отражающей поверхности в точке падения. Угол падения равен углу отражения.
• Если точечный объект и его отражение поменять местами, от ход лучей при этом не изменится, изменится лишь их направление.

Зевкально отражающая поверхность называется плоским зеркалом, если падающий на неё пучек параллельных лучей после отражения остаётся параллельным.

• Линза, толщина которой намного меньше радиусов кривизны её поверхностей, называется тонкой линзой.
• Линза, которая преобразует пучек параллельных лучей в сходящийся и собирает его в одну точку, называется собирающей линзой.
• Линза, которая преобразует пучек параллельных лучей в расходящийся - рассеивающей.

Для собирающей линзы

Для рассеивающей линзы:

При всех положениях предмета линза даёт уменьшенное, мнимое, прямое изображение, лежащее по ту же сторону линзы, что и предмет.

Свойства глаза:

• аккомодация (достигается изменением формы хрусталиков);
• адаптация (приспособление к различным условиям освещенности);
• острота зрения (способность раздельно различать две близкие точки);
• поле зрения (пространство, наблюдаемое при движении глаз, но неподвижной голове)

Недостатки зрения

близорукость (коррекция - рассеивающая линза);

дальнозоркость (коррекция - собирающая линза).

Тонкая линза представляет простейшую оптическую систему. Простые тонкие линзы применяются главным образом в виде стекол для очков. Кроме того, общеизвестно применение линзы в качестве увеличительного стекла.

Действие многих оптических приборов – проекционного фонаря, фотоаппарата и других приборов - может быть схематически уподоблено действию тонких линз. Однако тонкая линза дает хорошее изображение только в том сравнительно редком случае, когда можно ограничиться узким одноцветным пучком, идущим от источника вдоль главной оптической оси или под большим углом к ней. В большинстве же практических задач, где эти условия не выполняются, изображение, даваемое тонкой линзой, довольно не совершенно.
Поэтому в большинстве случаев прибегают к построению более сложных оптических систем, имеющих большое число преломляющих поверхностей и не ограниченных требованием близости этих поверхностей (требование, которому удовлетворяет тонкая линза). [ 4 ]

4.2 Фотографический аппарат. Оптические приборы.

Все оптические приборы можно разделить на две группы:

1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К ним относятся проекционные аппараты, фотоаппараты, киноаппараты и др.

2) приборы, которые действуют только совместно с человеческими глазами и не образуют изображений на экране. К ним относится лупа, микроскоп и различные приборы системы телескопов. Такие приборы называются визуальными.

Фотоаппарат.

Современные фотоаппараты имеют сложное и разнообразное строение, мы же рассмотрим из каких основных элементов состоит фотоаппарат и как они работают.

На рисунке приведены элементы двояковыпуклой линзы. C1 и C2 - центры ограничивающих сферических поверхностей, называемые центрами кривизны ; R1 и R2 - радиусы сферических поверхностей, называемые радиусами кривизны . Прямая, соединяющая центры кривизны C1 и C2, называется главной оптической осью . Для плоско-выпуклой или плоско-вогнутой линзы главной оптической осью является прямая, проходящая через центр кривизны перпендикулярно к плоской поверхности линзы. Точки пересечения главной оптической оси с поверхностью А и Б называются вершинами линзы . Расстояние между вершинами АБ называется осевой толщиной .

Свойства линз

Наиважнейшей особенностью положительных линз является способность давать изображение предметов. Действие положительных линз состоит в том, что они собирают падающие лучи, поэтому их называют собирательными .

Это свойство объясняется тем, что собирательная линза представляет собой совокупность множества трехгранных призм, расположенных по кругу и обращенных к центру круга своими основаниями. Поскольку такие призмы отклоняют падающие на них лучи к своим основаниям, пучок лучей, падающий на всю поверхность собирательной линзы, собирается в направлении к оси круга, т.е. к оптической оси.

Если из светящейся точки S, лежащей на оптической оси собирательной линзы, направить пучок расходящихся лучей света, то расходящийся пучок превратится в сходящийся, и в точке схода лучей образуется действительное изображение S` светящейся точки S. Поместив в точке S` какой-либо экран, можно увидеть на нем изображение светящейся точки S. Его называют действительным изображением.

Образование действительного изображения светящейся точки. S` - действительное изображение точки S

Отрицательные линзы, в противоположность положительным, рассеивают падающие на них лучи. Поэтому они называются рассеивающими .



Если такой же пучок расходящихся лучей направить на рассеивающую линзу, то, пройдя сквозь нее, лучи отклоняются в стороны от оптической оси. Вследствие этого рассеивающие линзы не дают действительного изображения. В оптических системах, дающих действительное изображение, и, в частности, в фотообъективах рассеивающие линзы применяются только совместно с собирательными.

Фокус и фокусное расстояние

Если из точки, лежащей в бесконечности на главной оптической оси, направить на линзу пучок света (такие лучи можно считать практически параллельными), то лучи соберутся в одной точке F, лежащей также на главной оптической оси. Эта точка называется главным фокусом , расстояние f от линзы до этой точки - главным фокусным расстоянием , а плоскость MN, проходящая через главный фокус перпендикулярно оптической оси линзы, - главной фокальной плоскостью .

Главный фокус F и главное фокусное расстояние f линзы

Фокусное расстояние линзы зависит от кривизны ее выпуклых поверхностей. Чем меньше радиусы кривизны, т.е. чем выпуклее стекло, тем короче ее фокусное расстояние.

Оптическая сила линзы

Оптической силой линзы называется ее преломляющая способность (способность сильнее или слабее отклонять лучи света). Чем больше фокусное расстояние, тем меньше преломляющая способность. Оптическая сила линзы обратно пропорциональна фокусному расстоянию.

Единицей измерения оптической силы является диоптрия , обозначаемая буквой D. Выражение оптической силы в диоптриях удобно тем, что, во-первых, оно позволяет по знаку определить, с какой линзой (собирательной или рассеивающей) имеют дело и, во-вторых, тем, что позволяет легко определить оптическую силу системы из двух и большего числа линз.

Образование картинки

Падая на предмет, лучи света отражаются от каждой точки его поверхности во всех возможных направлениях. Если перед освещенным предметом поместить собирательную линзу, то от каждой точки предмета на линзу упадет конический пучок лучей.



Пройдя через линзу, лучи снова соберутся в одну точку, и в месте схода лучей возникнет действительное изображение взятой точки предмета, а совокупность изображений всех точек предмета образует изображение всего предмета. Рисунок позволяет также легко уяснить причину того, почему изображение предметов всегда получается перевернутым.

Подобным же образом возникает изображение предметов в фотоаппарате при помощи фотографического объектива, который представляет собой собирательную оптическую систему и действует подобно положительной линзе.

Пространство, которое находится перед объективом и в котором расположены фотографируемые предметы, называется предметным пространством, а расположенное за объективом пространство, в котором визуализируются предметы, называется пространством изображений.