Лінзи. Оптична сила лінзи
Лінза – прозоре тіло, обмежене зазвичай двома сферичними поверхнями, кожна з яких може бути опуклою або увігнутою. Пряма, через центри цих сфер, називається головною оптичною віссю лінзи (слово головна зазвичай опускають).
Лінза, максимальна товщина якої значно менше радіусів обох сферичних поверхонь, називається тонкою.
Проходячи через лінзу, світловий промінь змінює напрямок – відхиляється. Якщо відхилення відбувається в бік оптичної осі, то лінза називається збирає, в іншому випадку лінза називається рассеивающей.
Будь промінь, падаючий на збирає лінзу паралельно оптичної осі, після заломлення проходить через точку оптичної осі (F), звану головним фокусом (рис. 23.6, а). Для розсіює лінзи через фокус проходить продовження переломленого променя (рис. 23.6, б).
У кожної лінзи є два фокусу, розташовані по обидві її сторони. Відстань від фокуса до центру лінзи називається головним фокусною відстанню (f). У розрахункових формулах f береться зі знаком “+” для збирає лінзи і зі знаком “-” для розсіює лінзи.
Величина, зворотна фокусної відстані, називається оптичною силою лінзи: D = 1 / f. Одиниця оптичної сили – діоптрій (дптр). 1 дптр – це оптична сила лінзи з фокусною відстанню 1 м.
Оптична сила тонкої лінзи і її фокусна відстань залежать від радіусів сфер і показника заломлення речовини лінзи щодо навколишнього середовища.
Лінзи використовуються для отримання зображень. Розглянемо предмет, розташований перпендикулярно оптичної осі збирає лінзи, і побудуємо зображення його верхньої точки А. Зображення всього предмета також буде перпендикулярно осі лінзи. У залежності від положення предмета щодо лінзи можливі два випадки заломлення променів, показані на рис. 23.7.
1. Якщо відстань від предмета до лінзи перевищує фокусну відстань f, то промені, випущені точкою А, після проходження лінзи перетинаються в точці А ‘, яка називається дійсним зображенням. Дійсне зображення виходить перевернутим.
2. Якщо відстань від предмета до лінзи менше фокусної відстані f, то промені, випущені точкою А, після проходження лінзи розходяться і в точці А ‘перетинаються їх продовження. Ця точка називається уявним зображенням. Уявне зображення виходить прямим.
Лінійне збільшення розраховується за формулою k = А2 / а1. Лінза (навіть тонка) буде давати “правильне” зображення, що підкоряється формулою лінзи, тільки при виконанні наступних умов:
– пучки падаючого світла можна вважати пріосевой (параксіальними);
– показник заломлення лінзи не залежить від довжини хвилі світла або світло досить монохроматічен.
При отриманні за допомогою лінз зображень реальних предметів ці обмеження, як правило, не виконуються: має місце дисперсія; деякі точки предмета лежать осторонь від оптичної осі; падаючі світлові пучки не є параксіальними, лінза не є тонкою. Все це призводить до спотворення зображень. Для зменшення спотворень об’єктиви оптичних приладів виготовляють з кількох лінз, розташованих впритул один до одного.
Аберації – загальна назва для похибок зображення, що виникають при використанні лінз. Аберації (від лат. “Aberratio” – відхилення), які проявляються лише в немонохроматичним світлі, називаються хроматическими. Всі інші види аберацій є монохроматичними, так як їх прояв не пов’язане зі складним спектральним складом реального світу.
1. Сферична аберація – монохроматична аберація, обумовлена тим, що крайні (периферичні) частини лінзи сильніше відхиляють промені, що йдуть від точкового джерела, ніж її центральна частина. В результаті цього периферична і центральна області лінзи формують різні зображення (S2 і S’2 соотвественно) точкового джерела S1 (рис. 23.10). Тому при будь-якому положенні екрану зображення на ньому виходить у вигляді світлої плями.
2. Астигматизм – монохроматична аберація, яка полягає в тому, що зображення точки має вигляд плями еліптичної форми, яке при деяких положеннях площині зображення вироджується у відрізок.
Астигматизм косих пучків проявляється тоді, коли промені, які виходять з точки, складають значні кути з оптичною віссю. На малюнку 23.11, а точковий джерело розташоване на побічної оптичної осі. При цьому виникають два зображення у вигляді відрізків прямих ліній, розташованих перпендикулярно один одному в площинах I і II. Зображення джерела можна отримати лише у вигляді розпливчастого плями між площинами I і II.
Астигматизм, обумовлений асиметрією оптичної системи. Цей вид астигматизму виникає, коли симетрія оптичної системи по відношенню до пучка світла порушена в силу пристрою самої системи. При такій аберації лінзи створюють зображення, в якому контури і лінії, орієнтовані в різних напрямках, мають різну різкість. Це спостерігається в циліндричних лінзах (рис. 23.11, б).
В оці астигматизм утворюється при асиметрії в кривизні систем кришталика і рогівки. Для виправлення астигматизму служать окуляри, які мають різну кривизну в різних напрямках.
3. Дисторсія (спотворення). Коли промені, що посилаються предметом, складають великий кут з оптичною віссю, виявляється ще один вид монохроматичній аберації – дисторсия. У цьому випадку порушується геометрична подібність між об’єктом і зображенням. Причина полягає в тому, що насправді лінійне збільшення, що дається лінзою, залежить від кута падіння променів. В результаті зображення квадратної сітки приймає або подушко-, або бочкоподібний вигляд (рис. 23.12).
4. Хроматична аберація проявляється в тому, що пучок білого світла, що виходить з точки, дає її зображення у вигляді райдужного кола, фіолетові промені перетинаються ближче до лінзи, ніж червоні (рис. 23.13).
Причина хроматичної аберації полягає в залежності показника заломлення речовини від довжини хвилі падаючого світла (дисперсія). Для виправлення цієї аберації в оптиці використовують лінзи, що виготовляються з стекол з різною дисперсією (ахромати, апохромати).
(1 votes, average: 5.00 out of 5)