При каком заболевании помогают двояковыпуклые линзы. Оптическая система глаза

Кто не знает обычного увеличительного стекла, похожего на зёрнышко чечевицы. Если такое стекло - его называют также двояковыпуклой линзой - поместить между каким-либо предметом и глазом, то изображение предмета кажется наблюдателю увеличенным в несколько раз.

В чём секрет такого увеличения? Чем объяснить, что предметы, если смотреть на них через двояковыпуклую линзу, кажутся нам больше своей действительной величины?

Чтобы хорошо понять причину этого явления, надо вспомнить о том, как распространяются лучи света.

Повседневные наблюдения убеждают нас в том, что свет распространяется прямолинейно. Вспомните, например, как иногда солнце, скрытое облаками, пронизывает их прямыми, ясно видимыми пучками лучей.

Но всегда ли лучи света прямолинейны? Оказывается, не всегда.

Проделайте, например, такой опыт.

В ставне, плотно прикрывающем окно вашей комнаты, сделайте Рис. 6< прямолинейный

Небольшое отверстие. Луч света, луч света, попав в дру -

Пройдя сквозь это отверстие, «про - гую среду -В воду, ИЗ -

Чертит» в тёмной комнате прямо - меняет своё направление,

Г « и 1 преломляется,

Линейный след. Но поместите на к

Пути луча банку с водой, и вы увидите, что луч, попав в воду, изменит своё направление, или, как говорят,"преломится (рис. 6).

Таким образом, преломление световых лучей можно наблюдать тогда, когда они попадают в другую среду. Так, пока лучи идут в воздухе, они прямолинейны. Но как только на их пути встречается какая-то другая среда, например вода, свет преломляется.

Вот такое же преломление испытывает луч света и в том случае, когда он проходит через двояковыпуклое увеличительное стекло. При этом линза собирает световые лучи
в узкий заострённый пучок (этим, кстати сказать, и объясняется то, что с помощью увеличительного стекла, собирающего лучи света в узкий пучок, можно на солнце поджечь папиросу, бумагу и пр.).

Но почему же линза увеличивает изображение предмета?

А вот почему. Посмотрите невооружённым глазом на какой-нибудь предмет, например на лист дерева. Лучи света отражаются от листа и сходятся в вашем глазу. Теперь поместите между глазом и листом двояковыпуклую линзу. Световые лучи, проходя через линзу, будут преломляться (рис. 7). Однако человеческому глазу они не кажутся ломаными. Наблюдатель попрежнему ощущает прямолинейность лучей света. Он как бы продолжает их дальше, за линзу (см. пунктирные линии на рис. 7), и предмет, наблюдаемый через двояковыпуклую линзу, кажется наблюдателю увеличенным!

Ну, а что произойдёт, если лучи света, вместо того, чтобы попасть в глаз наблюдателя, будут продолжены

Дальше? После пересечения в одной точке, называемой фокусом линзы, лучи вновь разойдутся. Если на их пути поставить зеркало, мы увидим в нём увеличенное изображение того же листа (рис. 8). Однако оно представится нам уже в перевёрнутом виде. И это вполне понятно. Ведь после пересечения в фокусе линзы световые лучи идут дальше в том же прямолинейном направлении. Есте

Ственно, что при этом лучи от верхушки листа направляются вниз, а лучи, идущие от его основания, отразятся в верхней части зеркала.

Вот это свойство двояковыпуклой линзы - способность собирать лучи света в одной точке - и используется в фотографическом аппарате.

Темы кодификатора ЕГЭ: линзы

Преломление света широко используется в различных оптических приборах: фотоаппаратах, биноклях, телескопах, микроскопах. . . Непременной и самой существенной деталью таких приборов является линза.

Линза - это оптически прозрачное однородное тело, ограниченное с двух сторон двумя сферическими (или одной сферической и одной плоской) поверхностями.

Линзы обычно изготавливаются из стекла или специальных прозрачных пластмасс. Говоря о материале линзы, мы будем называть его стеклом - особой роли это не играет.

Двояковыпуклая линза.

Рассмотрим сначала линзу, ограниченную с обеих сторон двумя выпуклыми сферическими поверхностями (рис. 1 ). Такая линза называется двояковыпуклой . Наша задача сейчас - понять ход лучей в этой линзе.

Проще всего обстоит дело с лучом, идущим вдоль главной оптической оси - оси симметрии линзы. На рис. 1 этот луч выходит из точки . Главная оптическая ось перпендикулярна обеим сферическим поверхностям, поэтому данный луч идёт сквозь линзу, не преломляясь.

Теперь возьмём луч , идущий параллельно главной оптической оси. В точке падения
луча на линзу проведена нормаль к поверхности линзы; поскольку луч переходит из воздуха в оптически более плотное стекло, угол преломления меньше угла падения . Следовательно, преломлённый луч приближается к главной оптической оси.

В точке выхода луча из линзы также проведена нормаль . Луч переходит в оптически менее плотный воздух, поэтому угол преломления больше угла падения ; луч
преломляется опять-таки в сторону главной оптической оси и пересекает её в точке .

Таким образом, всякий луч, параллельный главной оптической оси, после преломления в линзе приближается к главной оптической оси и пересекает её. На рис. 2 изображена картина преломления достаточно широкого светового пучка, параллельного главной оптической оси.

Как видим, широкий пучок света не фокусируется линзой: чем дальше от главной оптической оси расположен падающий луч, тем ближе к линзе он пересекает главную оптическую ось после преломления. Это явление называется сферической аберрацией и относится к недостаткам линз - ведь хотелось бы всё же, чтобы линза сводила параллельный пучок лучей в одну точку.

Весьма приемлемой фокусировки можно добиться, если использовать узкий световой пучок, идущий вблизи главной оптической оси. Тогда сферическая аберрация почти незаметна - посмотрите на рис. 3 .

Хорошо видно, что узкий пучок, параллельный главной оптической оси, после прохождения линзы собирается приблизительно в одной точке . По этой причине наша линза носит название собирающей.

Точка называется фокусом линзы. Вообще, линза имеет два фокуса, находящиеся на главной оптической оси справа и слева от линзы. Расстояния от фокусов до линзы не обязательно равны друг другу, но мы всегда будем иметь дело с ситуациями, когда фокусы расположены симметрично относительно линзы.

Двояковогнутая линза.

Теперь мы рассмотрим совсем другую линзу, ограниченную двумя вогнутыми сферическими поверхностями (рис. 4 ). Такая линза называется двояковогнутой . Так же, как и выше, мы проследим ход двух лучей, руководствуясь законом преломления.

Луч, выходящий из точки и идущий вдоль главной оптической оси, не преломляется - ведь главная оптическая ось, будучи осью симметрии линзы, перпендикулярна обеим сферическим поверхностям.

Луч , параллельный главной оптической оси, после первого преломления начинает удаляться от неё (так как при переходе из воздуха в стекло ), а после второго преломления удаляется от главной оптической оси ещё сильнее (так как при переходе из стекла в воздух ).

Двояковогнутая линза преобразует параллельный пучок света в расходящийся пучок (рис. 5 ) и называется поэтому рассеивающей.

Здесь также наблюдается сферическая аберрация: продолжения расходящихся лучей не пересекаются в одной точке. Мы видим, что чем дальше от главной оптической оси расположен падающий луч, тем ближе к линзе пересекает главную оптическую ось продолжение преломлённого луча.

Как и в случае двояковыпуклой линзы, сферическая аберрация будет практически незаметна для узкого приосевого пучка (рис. 6 ). Продолжения лучей, расходящихся от линзы, пересекаются приблизительно в одной точке - в фокусе линзы .

Если такой расходящийся пучок попадёт в наш глаз, то мы увидим за линзой светящуюся точку! Почему? Вспомните, как возникает изображение в плоском зеркале: наш мозг обладает способностью продолжать расходящиеся лучи до их пересечения и создавать в месте пересечения иллюзию светящегося объекта (так называемое мнимое изображение). Вот именно такое мнимое изображение, расположенное в фокусе линзы, мы и увидим в данном случае.

Виды собирающих и рассеивающих линз.

Мы рассмотрели две линзы: двояковыпуклую линзу, которая является собирающей, и двояковогнутую линзу, которая является рассеивающей. Существуют и другие примеры собирающих и рассеивающих линз.

Полный набор собирающих линз представлен на рис. 7 .

Помимо известной нам двояковыпуклой линзы, здесь изображены:плосковыпуклая линза, у которой одна из поверхностей плоская, и вогнуто-выпуклая линза, сочетающая вогнутую и выпуклую граничные поверхности. Обратите внимание, что у вогнуто-выпуклой линзы выпуклая поверхность в большей степени искривлена (радиус её кривизны меньше); поэтому собирающее действие выпуклой преломляющей поверхности перевешивает рассеивающее действие вогнутой поверхности, и линза в целом оказывается собирающей.

Все возможные рассеивающие линзы изображены на рис. 8 .

Наряду с двояковогнутой линзой мы видим плосковогнутую (одна из поверхностей которой плоская) и выпукло-вогнутую линзу. Вогнутая поверхность выпукло-вогнутой линзы искривлена в большей степени, так что рассеивающее действие вогнутой границы преобладает над собирающим действием выпуклой границы, и в целом линза оказывается рассеивающей.

Попробуйте самостоятельно построить ход лучей в тех видах линз, которые мы не рассмотрели, и убедиться, что они действительно являются собирающими или рассеивающими. Это отличное упражнение, и в нём нет ничего сложного - ровно те же самые построения, которые мы проделали выше!

Цели урока: формирование представлений о строении глаза и механизмах работы оптической системы глаза; выяснение обусловленности строения оптической системы глаза законами физики; выработка умения анализировать изучаемые явления; формирование бережного отношения к своему здоровью и здоровью окружающих.

Оборудование: таблица «Орган зрения», модель «Глаз человека»; светособирающая линза, линза с большой кривизной, линза с малой кривизной, источник света, карточки с заданиями; на столах у учащихся: светособирающая линза, светорассеивающая линза, ширма с прорезью, источник света, экран.

ХОД УРОКА

Учитель биологии. Человек обладает системой ориентации в окружающем мире – сенсорной системой, которая помогает не только ориентироваться, но и адаптироваться к изменяющимся условиям среды. На предыдущем уроке вы начали знакомиться со строением органа зрения. Давайте вспомним этот материал. Для этого вы должны выполнить задание на карточке и ответить на вопросы.

Вопросы для повторения

– Зачем человеку нужно зрение?
– Какой орган выполняет эту функцию?
– Где расположен глаз?
– Назовите оболочки глаза и их функции.
– Назовите части глаза, которые защищают его от повреждений.

На доске висит таблица «Орган зрения», на учительском столе – модель «Глаз человека». Собрав карточки с ответами учащихся, учитель биологии проверяет их заполнение, совместно с учащимися называя и показывая части глаза на модели и плакате.

Учащимся раздается вторая карточка.

Учитель биологии. Основываясь на знании анатомического строения глаза, назовите, какие части глаза могут выполнять оптическую функцию.

(Учащиеся, обращаясь к модели глаза, приходят к выводу, что оптическая система глаза состоит из роговицы, хрусталика, стекловидного тела и сетчатки. )

Учитель физики. Какой оптический прибор вам напоминает хрусталик?

Учащиеся. Двояковыпуклую линзу.

Учитель физики. Какие виды линз вы еще знаете, и каковы их свойства?

Учащиеся. Двояковыпуклая линза – это собирающая линза, т.е. лучи, проходящие через линзу, собираются в одной точке, называемой фокусом. Двояковогнутая линза – это рассеивающая линза, лучи, проходящие через линзу, рассеиваются таким образом, что продолжение лучей собирается в мнимом фокусе.

(Учитель физики рисует (рис. 1 ) на доске, а учащиеся в тетради ход лучей в собирающей и рассеивающей линзе .)

Рис. 1. Ход лучей в собирающей и рассеивающей линзах (F – фокус)

Учитель физики. Каким будет изображение, если предмет находится за двойным фокусным расстоянием собирающей линзы?

(Учащиеся рисуют в тетрадях ход лучей в этом случае (рис. 2) и убеждаются в том, что изображение получается уменьшенное, действительное, перевернутое .)

Рис. 2. Построение изображения в собирающей линзе

Фронтальный эксперимент

На каждом столе у учащихся собирающая и рассеивающая линзы, источник тока, электрическая лампочка на подставке, ширма с прорезью в виде буквы Г, экран.

Учитель физики предлагает учащимся выбрать двояковыпуклую, т.е. собирающую, линзу и убедиться экспериментально, что собирающая линза дает перевернутое изображение. Учащиеся собирают установку (рис. 3) и, перемещая линзу относительно экрана, добиваются четкого изображения перевернутой буквы Г.

(Учащиеся убеждаются на опыте, что изображение действительное перевернутое и получается четко на экране только при определенном расположении экрана относительно линзы .)

Рис. 3. Схема установки для демонстрации хода лучей в собирающей линзе

Учитель биологии. Так как хрусталик, роговица и стекловидное тело – это собирающая линза, то оптическая система глаза дает перевернутое уменьшенное изображение, и мир мы должны видеть перевернутым. Что позволяет видеть предметы неперевернутыми?

Учащиеся. Нормальное, а не перевернутое видение предметов обусловлено их повторным «переворачиванием» в корковом отделе зрительного анализатора.

Учитель биологии. Предметы мы хорошо видим на разных расстояниях. Это происходит благодаря мышцам, которые присоединяются к хрусталику и, сокращаясь, регулируют его кривизну.

Учитель физики. Рассмотрим на опыте, как меняются свойства линзы в зависимости от ее кривизны. Чем меньше радиус кривизны, тем меньше фокусное расстояние, – такие линзы называются короткофокусными, линзы с маленькой кривизной, т.е. с большим радиусом кривизны, называются длиннофокусными (рис. 4).

Рис. 4. Изменение свойств линзы в зависимости от ее кривизны

Учитель биологии. При рассматривании близкорасположенных предметов у хрусталика уменьшается радиус кривизны, и он действует как короткофокусная линза. При рассматривании удаленных объектов у хрусталика увеличивается радиус кривизны, и он действует как длиннофокусная линза. И в том, и в другом случае это необходимо для того, чтобы изображение всегда фокусировалось на сетчатке. Способность четко видеть предметы, удаленные на разные расстояния, благодаря изменению кривизны хрусталика, называется аккомодацией (учащиеся записывают определение в тетради).

Существуют отклонения в строении глаза или же в работе хрусталика.

При близорукости изображение фокусируется перед сетчаткой вследствие избыточной кривизны хрусталика или же удлинения оси глаза. При дальнозоркости изображение фокусируется за сетчаткой вследствие недостаточной кривизны хрусталика или же укороченной оси глаза.

Учитель физики. Какие необходимы линзы для коррекции близорукости, а какие для коррекции дальнозоркости?

Учащиеся. Близорукость – рассеивающая линза, дальнозоркость – собирающая линза.

(Учитель физики демонстрацией опыта экспериментально доказывает справедливость выводов учащихся .)

Учитель биологии. Существует еще одно отклонение от нормы в работе оптической системы человеческого глаза – это астигматизм. Астигматизм – невозможность схождения всех лучей в одной точке, в одном фокусе. Это происходит из-за отклонений кривизны роговицы от сферической. Для коррекции астигматизма применяют цилиндрические линзы.

Выводы

Учащиеся совместно с учителем биологии формулируют основные правила гигиены зрения:

– оберегать глаза от механических воздействий;
– читать в хорошо освещенном помещении;
– держать книгу на определенном расстоянии (33–35 см) от глаз;
– свет должен падать слева;
– нельзя близко наклоняться к книге, т.к. это может привести к развитию близорукости;
– нельзя читать в движущемся транспорте, т.к. из-за неустойчивости положения книги все время меняется фокусное расстояние, что ведет к изменению кривизны хрусталика, уменьшению его эластичности, в результате чего ослабевает ресничная мышца и нарушается зрение.

Двояковыпуклая линза

Плоско-выпуклая линза

Характеристики тонких линз

В зависимости от форм различают собирательные (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде - двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием .

Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего - хроматической, обусловленной дисперсией света , - ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз/их материалов, например, коэффициент преломления , коффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне.

Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

Виды линз:
Собирающие :
1 - двояковыпуклая
2 - плоско-выпуклая
3 - вогнуто-выпуклая (положительный мениск)
Рассеивающие :
4 - двояковогнутая
5 - плоско-вогнутая
6 - выпукло-вогнутая (отрицательный мениск)

Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине) или рассеивающей (утолщается к краям). Мениск, у которого радиусы поверхностей равны, имеет оптическую силу, равную нулю (применяется для коррекции дисперсии или как покровная линза). Так, линзы очков для близоруких - как правило, отрицательные мениски.

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Основные элементы линзы: NN - главная оптическая ось - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O - оптический центр - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре).
Примечание . Ход лучей показан, как в идеализированной (плоской) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела фаз. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись , а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса , или просто фокуса .

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется главным фокусом F’, а расстояние от центра линзы до главного фокуса - главным фокусным расстоянием .

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым .

Мнимый фокус рассеивающей линзы

Сказанное о фокусе на главной оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на побочной или наклонной оптической оси, т. е. линии, проходящей через центр линзы под углом к главной оптической оси. Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси, расположенная в главном фокусе линзы, называется главной фокальной плоскостью , а в сопряжённом фокусе - просто фокальной плоскостью .

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса - передний и задний . Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от центра линзы.

Построение изображения тонкой собирающей линзой

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа - через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения предметов, имеющих определённую форму и размеры, получается следующим образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором расстоянии от линзы, значительно превышающем её фокусное расстояние. От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A 1 B 1 , образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым .

В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным , перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

Если предмет приближён к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным , перевёрнутым и уменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным , перевёрнутым и равным по величине предмету.

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным , перевёрнутым и увеличенным .

Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.

Если предмет поместить на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, то лучи выйдут из линзы расходящимся пучком, нигде не пересекаясь. Изображение при этом получается мнимое , прямое и увеличенное , т. е. в данном случае линза работает как лупа.

Нетрудно заметить, что при приближении предмета из бесконечности к переднему фокусу линзы изображение удаляется от заднего фокуса и по достижении предметом плоскости переднего фокуса оказывается в бесконечности от него.

Эта закономерность имеет большое значение в практике различных видов фотографических работ, поэтому для определения зависимости между расстоянием от предмета до линзы и от линзы до плоскости изображения необходимо знать основную формулу линзы .

Формула тонкой линзы

Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы называются сопряжёнными фокусными расстояниями .

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы :

где - расстояние от линзы до предмета; - расстояние от линзы до изображения; - главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей .

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин u , v , f выбираются исходя из следующих соображений - для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе - все эти величины положительны. Если изображение мнимое - расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый - расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая - фокусное расстояние отрицательно.

Масштаб изображения

Масштабом изображения () называется отношение линейных размеров изображения к соответствующим линейным размерам предмета. Это отношение может быть косвенно выражено дробью , где - расстояние от линзы до изображения; - расстояние от линзы до предмета.

Здесь есть коэффициент уменьшения, т. е. число, показывающее во сколько раз линейные размеры изображения меньше действительных линейных размеров предмета.

В практике вычислений гораздо удобнее это соотношение выражать в значениях или , где - фокусное расстояние линзы.

Расчёт фокусного расстояния и оптической силы линзы

Линзы симметричны, то есть они имеют одинаковое фокусное расстояние независимо от направления света - слева или справа, что, однако, не относится к другим характеристикам, например, аберрациям , величина которых зависит от того, какой стороной линза повёрнута к свету.

Комбинация нескольких линз (центрированная система)

Линзы могут комбинироваться друг с другом для построения сложных оптических систем. Оптическая сила системы из двух линз может быть найдена как простая сумма оптических сил каждой линзы (при условии, что обе линзы можно считать тонкими и они расположены вплотную друг к другу на одной оси):

Если линзы расположены на некотором расстоянии друг от друга и их оси совпадают (система из произвольного числа линз, обладающих таким свойством, называется центрированной системой), то их общую оптическую силу с достаточной степенью точности можно найти из следующего выражения:

где - расстояние между главными плоскостями линз.

Недостатки простой линзы

В современной фотоаппаратуре к качеству изображения предъявляются высокие требования.

Изображение, даваемое простой линзой, в силу целого ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Устранение большинства недостатков достигается соответствующим подбором ряда линз в центрированную оптическую систему - объектив . Изображения, полученные при помощи простых линз, имеют различные недостатки. Недостатки оптических систем называются аберрациями , которые делятся на следующие виды:

Геометрические аберрации
Дифракционная аберрация (эта аберрация вызывается другими элементами оптической системы, и к самой линзе отношения не имеет).

Линзы со специальными свойствами

Линзы из органических полимеров

Линзы контактные

Линзы из кварца

Кварцевое стекло - переплавленный чистый кремнезём с незначительными (около 0,01 %) добавками Al 2 О 3 , СаО и MgO. Оно отличается высокой термостойкостью и инертностью ко многим химическим реактивам за исключением плавиковой кислоты.

Линза это оптически прозрачное однородное тело, ограниченное с двух сторон двумя сферическими (или одной сферической и одной плоской) поверхностями.

Линзы обычно изготавливаются из стекла или специальных прозрачных пластмасс. Говоря о материале линзы, мы будем называть его стеклом особой роли это не играет.

4.4.1 Двояковыпуклая линза

Рассмотрим сначала линзу, ограниченную с обеих сторон двумя выпуклыми сферическими поверхностями (рис. 4.16 ). Такая линза называется двояковыпуклой. Наша задача сейчас понять ход лучей в этой линзе.

Рис. 4.16. Преломление в двояковыпуклой линзе

Проще всего обстоит дело с лучом, идущим вдоль главной оптической оси оси симметрии линзы. На рис. 4.16 этот луч выходит из точки A0 . Главная оптическая ось перпендикулярна обеим сферическим поверхностям, поэтому данный луч идёт сквозь линзу, не преломляясь.

Теперь возьмём луч AB, идущий параллельно главной оптической оси. В точке B падения луча на линзу проведена нормаль MN к поверхности линзы; поскольку луч переходит из воздуха в оптически более плотное стекло, угол преломления CBN меньше угла падения ABM. Следовательно, преломлённый луч BC приближается к главной оптической оси.

В точке C выхода луча из линзы также проведена нормаль P Q. Луч переходит в оптически менее плотный воздух, поэтому угол преломления QCD больше угла падения P CB; луч преломляется опять-таки в сторону главной оптической оси и пересекает её в точке D.

Таким образом, всякий луч, параллельный главной оптической оси, после преломления в линзе приближается к главной оптической оси и пересекает её. На рис. 4.17 изображена картина преломления достаточно широкого светового пучка, параллельного главной оптической оси.

Рис. 4.17. Сферическая аберрация в двояковыпуклой линзе

Как видим, широкий пучок света не фокусируется линзой: чем дальше от главной оптической оси расположен падающий луч, тем ближе к линзе он пересекает главную оптическую ось после преломления. Это явление называется сферической аберрацией и относится к недостаткам линз ведь хотелось бы всё же, чтобы линза сводила параллельный пучок лучей в одну точку5 .

Весьма приемлемой фокусировки можно добиться, если использовать узкий световой пучок, идущий вблизи главной оптической оси. Тогда сферическая аберрация почти незаметна посмотрите на рис. 4.18 .

Рис. 4.18. Фокусировка узкого пучка собирающей линзой

Хорошо видно, что узкий пучок, параллельный главной оптической оси, после прохождения линзы собирается приблизительно в одной точке F . По этой причине наша линза носит название

собирающей.

5 Точная фокусировка широкого пучка действительно возможна, но для этого поверхность линзы должна иметь не сферическую, а более сложную форму. Шлифовать такие линзы дело трудоёмкое и нецелесообразное. Проще уж изготавливать сферические линзы и бороться с появляющейся сферической аберрацией.

Кстати, аберрация называется сферической как раз потому, что возникает в результате замены оптимально фокусирующей сложной несферической линзы на простую сферическую.

Точка F называется фокусом линзы. Вообще, линза имеет два фокуса, находящиеся на главной оптической оси справа и слева от линзы. Расстояния от фокусов до линзы не обязательно равны друг другу, но мы всегда будем иметь дело с ситуациями, когда фокусы расположены симметрично относительно линзы.

4.4.2 Двояковогнутая линза

Теперь мы рассмотрим совсем другую линзу, ограниченную двумя вогнутыми сферическими поверхностями (рис. 4.19 ). Такая линза называется двояковогнутой. Так же, как и выше, мы проследим ход двух лучей, руководствуясь законом преломления.

Рис. 4.19. Преломление в двояковогнутой линзе

Луч, выходящий из точки A0 и идущий вдоль главной оптической оси, не преломляется ведь главная оптическая ось, будучи осью симметрии линзы, перпендикулярна обеим сферическим поверхностям.

Луч AB, параллельный главной оптической оси, после первого преломления начинает удаляться от неё (так как при переходе из воздуха в стекло \CBN < \ABM), а после второго преломления удаляется от главной оптической оси ещё сильнее (так как при переходе из стекла в воздух \QCD > \P CB). Двояковогнутая линза преобразует параллельный пучок света в расходящийся пучок (рис. 4.20 ) и называется поэтому рассеивающей.

Рис. 4.20. Сферическая аберрация в двояковогнутой линзе

Как и в случае двояковыпуклой линзы, сферическая аберрация будет практически незаметна для узкого приосевого пучка (рис. 4.21 ). Продолжения лучей, расходящихся от линзы, пересекаются приблизительно в одной точке в фокусе линзы F .

Рис. 4.21. Преломление узкого пучка в рассеивающей линзе

Помимо известной нам двояковыпуклой линзы, здесь изображены: плосковыпуклая линза, у которой одна из поверхностей плоская, и вогнуто-выпуклая линза, сочетающая вогнутую и выпуклую граничные поверхности. Обратите внимание, что у вогнуто-выпуклой линзы выпуклая поверхность в большей степени искривлена (радиус её кривизны меньше); поэтому собирающее действие выпуклой преломляющей поверхности перевешивает рассеивающее действие вогнутой поверхности, и линза в целом оказывается собирающей.

Все возможные рассеивающие линзы изображены на рис. 4.23 .

Рис. 4.23. Рассеивающие линзы

Наряду с двояковогнутой линзой мы видим плосковогнутую (одна из поверхностей которой плоская) и выпукло-вогнутую линзу. Вогнутая поверхность выпукло-вогнутой линзы искривлена в большей степени, так что рассеивающее действие вогнутой границы преобладает над собирающим действием выпуклой границы, и в целом линза оказывается рассеивающей.

Попробуйте самостоятельно построить ход лучей в тех видах линз, которые мы не рассмотрели, и убедиться, что они действительно являются собирающими или рассеивающими. Это отличное упражнение, и в нём нет ничего сложного ровно те же самые построения, которые мы проделали выше!