Лінзи: види лінз (фізика). Види збирають, оптичних, розсіюють лінз. Як визначити вид лінзи?

Лінзи, як правило, мають сферичну або близьку до сферичної поверхню. Вони можуть бути увігнутими, опуклими або плоскими (радіус дорівнює нескінченності). Мають двома поверхнями, через які проходить світло. Вони можуть поєднуватися по-різному, утворюючи різні види лінз (фото наведено далі в статті):

• Якщо обидві поверхні опуклі (вигнуті назовні), центральна частина товщі, ніж по краях.
• Лінза з опуклою і увігнутою сферами називається меніском.
• Лінза з однією плоскою поверхнею носить назву плоско-увігнутої або плоско-опуклою, в залежності від характеру іншої сфери.

Як визначити вид лінзи? Зупинимося на цьому докладніше.

Збирають лінзи: види лінз

Незалежно від поєднання поверхонь, якщо їх товщина в центральній частині більше, ніж по краях, вони називаються збирають. Мають позитивний фокусна відстань. Розрізняють такі види збирають лінз:

• плоско-опуклі,
• двоопуклі,
• угнутоопуклі (меніск).

Їх ще називають «позитивними».

Розсіюють лінзи: види лінз

Якщо їх товщина в центрі тонше, ніж по краях, то вони звуться розсіюють. мають негативне фокусна відстань. Існують такі види розсіюють лінз:

• плоско-увігнуті,
• двоввігнуті,
• опукло-увігнуті (меніск).

Їх ще називають «негативними».

базові поняття

Промені від точкового джерела розходяться з однієї точки. Їх називають пучком. Коли пучок входить в лінзу, кожен промінь заломлюється, змінюючи свій напрямок. З цієї причини пучок може вийти з лінзи в більшій чи меншій мірі розходяться.

Деякі види оптичних лінз змінюють напрямок променів настільки, що вони сходяться в одній точці. Якщо джерело світла розташований, щонайменше, на фокусній відстані, то пучок сходиться в точці, віддаленій, по крайней мере, на ту ж дистанцію.

Дійсні та уявні зображення

Точкове джерело світла називається дійсним об`єктом, а точка збіжності пучка променів, що виходить з лінзи, є його дійсним зображенням.

Важливе значення має масив точкових джерел, розподілених на, як правило, плоскій поверхні. Прикладом може служити малюнок на матовому склі, підсвічений ззаду. Іншим прикладом є диафильм, освітлений ззаду так, щоб світло від нього проходив через лінзу, багаторазово збільшує зображення на плоскому екрані.

У цих випадках говорять про площині. Точки на площині зображення 1: 1 відповідають точкам на площині об`єкта. Те саме можна сказати і до геометричних фігур, хоча отримана картинка може бути перевернутою по відношенню до об`єкта зверху вниз або зліва направо.

Сходження променів в одній точці створює дійсне зображення, а розбіжність - уявне. Коли воно чітко окреслено на екрані - воно дійсне. Якщо ж зображення можна спостерігати, тільки подивившись через лінзу в сторону джерела світла, то воно називається уявним. Відображення в дзеркалі - уявне. Картину, яку можна побачити через телескоп - теж. Але проекція об`єктива камери на плівку дає дійсне зображення.

Фокусна відстань

Фокус лінзи можна знайти, пропустивши через неї пучок паралельних променів. Точка, в якій вони зійдуться, і буде її фокусом F. Відстань від фокусної точки до об`єктива називають його фокусною відстанню f. Паралельні промені можна пропустити і з іншого боку і таким чином знайти F з двох сторін. Кожна лінза має дві F і двома f. Якщо вона відносно тонка в порівнянні з її фокусною відстанню, то останні приблизно рівні.

Дивергенція і конвергенція

Позитивним фокусною відстанню характеризуються збирають лінзи. Види лінз даного типу (плоско-опуклі, двоопуклі, меніск) зводять промені, що виходять з них, більше, ніж вони були зведені до цього. Збирають об`єктиви можуть формувати як дійсне, так і уявне зображення. Перше формується тільки в разі, якщо відстань від лінзи до об`єкту довшою за фокусну.

Негативним фокусною відстанню характеризуються розсіюють лінзи. Види лінз цього типу (плоско-увігнуті, двоввігнуті, меніск) розводять промені більше, ніж вони були розведені до потрапляння на їх поверхню. Розсіюють лінзи створюють уявне зображення. І тільки коли збіжність падаючих променів значна (вони сходяться десь між лінзою і фокальній точкою на протилежній стороні), утворені промені все ще можуть сходитися, утворюючи дійсне зображення.

важливі відмінності

Слід бути дуже уважними, щоб відрізняти сходження або розбіжність променів від конвергенції або дивергенції лінзи. Види лінз і пучків світла можуть не збігатися. Промені, пов`язані з об`єктом або точкою зображення, називаються що розходяться, якщо вони «розбігаються», і що сходяться, якщо вони «збираються» разом. У будь-який коаксіальної оптичній системі оптична вісь являє собою шлях променів. Луч уздовж цієї осі проходить без будь-якого зміни напрямку руху через заломлення. Це, по суті, гарне визначення оптичної осі.

Луч, який з відстанню віддаляється від оптичної осі, називається розбіжним. А той, який до неї стає ближче, носить назву сходиться. Промені, паралельні оптичній осі, мають нульове сходження або розбіжність. Таким чином, коли говорять про сходження або розбіжність одного променя, його співвідносять з оптичною віссю.

Деякі види лінз, фізика яких така, що промінь відхиляється більшою мірою до оптичної осі, є збирають. У них сходяться промені зближуються ще більше, а розходяться віддаляються менше. Вони навіть в стані, якщо їх сила достатня для цього, зробити пучок паралельних або навіть сходящимся. Аналогічно рассеивающая лінза може розвести розбіжні промені ще більше, а сходяться - зробити паралельними або розходяться.

збільшувальне скло

Лінза з двома опуклими поверхнями товщі в центрі, ніж по краях, і може використовуватися в якості простого збільшувального скла або лупи. При цьому спостерігач дивіться через неї на уявне, збільшене зображення. Об`єктив камери, однак, формує на плівці або сенсорі дійсне, як правило, зменшене в розмірах у порівнянні з об`єктом.

окуляри

Здатність лінзи змінювати збіжність світла називається її силою. Виражається вона в діоптріях D = 1 / f, де f - фокусна відстань в метрах.

У лінзи з силою 5 діоптрій f = 20 см. Саме діоптрії вказує окуліст, виписуючи рецепт очок. Скажімо, він записав 5,2 діоптрій. У майстерні візьмуть готову заготовку в 5 діоптрій, отриману на заводі-виробнику, і відшліфують трохи одну поверхню, щоб додати 0,2 діоптрії. Принцип полягає в тому, що для тонких лінз, в яких дві сфери розташовані близько один до одного, дотримується правило, згідно з яким загальна їх сила дорівнює сумі діоптрій кожної: D = D₁ + D₂.

труба Галілея

За часів Галілея (початок XVII століття), окуляри в Європі були широко доступні. Вони, як правило, виготовлялися в Голландії і поширювалися вуличними торговцями. Галілео чув, що хтось в Нідерландах помістив два види лінз в трубку, щоб віддалені об`єкти здавалися більше. Він використовував довгофокусний збирає об`єктив в одному кінці трубки, і короткофокусний розсіює окуляр на іншому кінці. якщо фокусна відстань об`єктива одно f_o і окуляра f_e, то дистанція між ними повинна бути f_o-f_e, а сила (кутове збільшення) f_o/ f_e. Така схема називається трубою Галілея.

Телескоп має збільшенням 5 або 6 разів, яке можна порівняти з сучасними ручними біноклями. Цього достатньо для багатьох захоплюючих астрономічних спостережень. Можна без проблем побачити місячні кратери, чотири супутники Юпітера, кільця Сатурна, фази Венери, туманності і зоряні скупчення, а також слабкі зірки в Чумацькому Шляху.

телескоп Кеплера

Кеплер почув про все це (він і Галілей вели переписку) і побудував ще один вид телескопа з двома збирають лінзами. Та, у якої велика фокусна відстань, є об`єктивом, а та, у якій воно менше - окуляром. Відстань між ними дорівнює f_o + f_e, а кутове збільшення становить f_o/ f_e. Цей кеплерівської (або астрономічний) телескоп створює перевернуте зображення, але для зірок або місяця це не має значення. Дана схема забезпечила більш рівномірне освітлення поля зору, ніж телескоп Галілея, і була більш зручна у використанні, так як дозволяла тримати очі в фіксованому положенні і бачити все поле зору від краю до краю. Пристрій дозволяв досягти більш високого збільшення, ніж труба Галілея, без серйозного погіршення якості.

Обидва телескопа страждають від сферичної аберації, в результаті чого зображення не повністю сфокусовані, і хроматичної аберації, створює кольорові ореоли. Кеплер (і Ньютон) вважав, що ці дефекти неможливо подолати. Вони не припускали, що можливі ахроматические види лінз, фізика яких стане відома лише в XIX столітті.

дзеркальні телескопи

Грегорі припустив, що в якості об`єктивів телескопів можна використовувати дзеркала, так як в них відсутній кольорова окантовка. Ньютон скористався цією ідеєю і створив ньютоновскую форму телескопа з увігнутого посрібленого дзеркала і позитивного окуляра. Він передав зразок Королівському суспільству, де той знаходиться і до цього дня.

Однолінзовий телескоп може проектувати зображення на екран або фотоплівку. Для належного збільшення потрібно позитивна лінза з великою фокусною відстанню, скажімо, 0,5 м, 1 м або багато метрів. Така компоновка часто використовується в астрономічній фотографії. Людям, незнайомим з оптикою, може здатися парадоксальною ситуація, коли більш слабка длиннофокусная лінза дає більше збільшення.

сфери

Висловлювалися припущення, що стародавні культури, можливо, мали телескопи, тому що вони робили маленькі скляні кульки. Проблема полягає в тому, що невідомо, для чого вони використовувалися, і вони, звичайно, не могли б лягти в основу хорошого телескопа. Кульки могли застосовуватися для збільшення дрібних об`єктів, але якість при цьому навряд чи було задовільним.

Фокусна відстань ідеальної скляної сфери дуже короткий і формує дійсне зображення дуже близько від сфери. Крім того, аберації (геометричні спотворення) значні. Проблема криється в відстані між двома поверхнями.

Однак якщо зробити глибоку екваторіальну канавку, щоб блокувати промені, які викликають дефекти зображення, вона перетворюється з дуже посередньою лупи в прекрасну. Таке рішення приписується Коддінгтона, а збільшувач його імені можна придбати сьогодні у вигляді невеликих ручних луп для вивчення дуже маленьких об`єктів. Але доказів того, що це було зроблено до 19-го століття, немає.