Điều kiện nào giúp thấu kính hai mặt lồi? Hệ thống quang học của mắt

Ai không biết kính lúp thông thường, tương tự như một hạt đậu lăng. Nếu một kính như vậy - còn được gọi là thấu kính hai mặt lồi - được đặt giữa một vật và mắt, thì ảnh của vật dường như được phóng đại lên vài lần đối với người quan sát.

Bí mật của sự gia tăng như vậy là gì? Làm thế nào để giải thích rằng các vật thể, khi được nhìn qua một thấu kính hai mặt lồi, đối với chúng ta dường như lớn hơn kích thước thực của chúng?

Để hiểu rõ nguyên nhân của hiện tượng này, chúng ta phải nhớ cách truyền của tia sáng.

Những quan sát hàng ngày thuyết phục chúng ta rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng. Hãy nhớ, chẳng hạn, đôi khi mặt trời, bị che khuất bởi những đám mây, xuyên qua chúng bằng những chùm tia trực tiếp, có thể nhìn thấy rõ ràng.

Nhưng các tia sáng có luôn luôn thẳng không? Hóa ra không phải lúc nào cũng vậy.

Hãy làm một thí nghiệm chẳng hạn.

Trong màn trập che chặt cửa sổ phòng của bạn, hãy tạo Hình. 6< прямолинейный

Lỗ nhỏ. Một tia sáng, một tia sáng, đánh vào một tia khác -

Khi đi qua lỗ này, "Tôi đi qua môi trường - Vào trong nước, TỪ -

Rút ra "trực tiếp trong phòng tối - thay đổi hướng của nó,

G "và 1 bị khúc xạ,

Dấu vết tuyến tính. Nhưng đưa vào

Đường đi của chùm tia tới một lọ nước, và bạn sẽ thấy rằng chùm tia va vào nước, sẽ thay đổi hướng của nó, hay như người ta nói, "khúc xạ" (Hình 6).

Như vậy, có thể quan sát được hiện tượng khúc xạ của tia sáng khi chúng đi vào môi trường khác. Vì vậy, miễn là các tia trong không khí, chúng là tuyến tính. Nhưng ngay sau khi một số môi trường khác, chẳng hạn như nước, gặp trên đường đi của chúng, ánh sáng sẽ bị khúc xạ.

Đây là sự khúc xạ giống như một tia sáng trong trường hợp nó đi qua một kính lúp hai mặt lồi. Trong trường hợp này, thấu kính thu thập các tia sáng
thành một chùm nhọn hẹp (nhân tiện, điều này giải thích một thực tế là với sự trợ giúp của kính lúp thu các tia sáng thành một chùm hẹp, bạn có thể đốt thuốc lá, giấy, v.v. dưới ánh nắng mặt trời).

Nhưng tại sao một ống kính lại phóng to hình ảnh của một vật?

Đây là lý do tại sao. Nhìn bằng mắt thường vào một vật thể, chẳng hạn như lá cây. Các tia sáng bật ra khỏi lá và hội tụ trong mắt bạn. Bây giờ đặt một thấu kính hai mặt lồi giữa mắt và lá. Các tia sáng đi qua thấu kính sẽ bị khúc xạ (Hình 7). Tuy nhiên, chúng dường như không bị vỡ đối với mắt người. Người quan sát vẫn cảm nhận được độ thẳng của các tia sáng. Nó dường như tiếp tục chúng xa hơn, ngoài thấu kính (xem các đường chấm trong Hình 7), và đối tượng được quan sát qua thấu kính hai mặt lồi dường như được phóng to cho người quan sát!

Điều gì sẽ xảy ra nếu các tia sáng, thay vì rơi vào mắt người quan sát, tiếp tục

Xa hơn? Sau khi giao nhau tại một điểm, được gọi là tiêu điểm của thấu kính, các tia sẽ phân kỳ trở lại. Nếu chúng ta đặt một tấm gương trên đường đi của chúng, chúng ta sẽ thấy trong đó một hình ảnh phóng to của cùng một tấm (Hình 8). Tuy nhiên, nó sẽ tự thể hiện với chúng ta dưới dạng đảo ngược. Và điều này khá dễ hiểu. Rốt cuộc, sau khi đi qua tiêu điểm của thấu kính, các tia sáng đi xa hơn theo cùng một phương thẳng nghiêng. yeste

Rõ ràng là trong trường hợp này các tia từ trên cùng của tờ giấy được hướng xuống và các tia đến từ đáy của nó bị phản xạ ở phần trên của gương.

Tính chất này của thấu kính hai mặt lồi - khả năng thu thập các tia sáng tại một điểm - được sử dụng trong thiết bị chụp ảnh.

SỬ DỤNG các chủ đề mã hóa: thấu kính

Sự khúc xạ ánh sáng được sử dụng rộng rãi trong các Dụng cụ quang học: máy ảnh, ống nhòm, kính thiên văn, kính hiển vi. . . Một bộ phận không thể thiếu và thiết yếu nhất của các thiết bị đó chính là ống kính.

Ống kính - đây là một vật thể đồng nhất trong suốt về mặt quang học, được bao bọc ở cả hai phía bởi hai bề mặt hình cầu (hoặc một hình cầu và một mặt phẳng).

Tròng kính thường được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo đặc biệt trong suốt. Nói về chất liệu của thấu kính, chúng ta sẽ gọi nó là thủy tinh - nó không đóng một vai trò gì đặc biệt.

Thấu kính hai mặt lồi.

Trước hết hãy xem xét một thấu kính được giới hạn ở cả hai phía bởi hai mặt cầu lồi (Hình 1). Một thấu kính như vậy được gọi là hai mặt lồi. Nhiệm vụ của chúng ta bây giờ là tìm hiểu đường đi của các tia trong thấu kính này.

Cách dễ nhất là với một tia đi cùng trục quang học chính- các trục đối xứng của thấu kính. Trên hình. 1 tia này rời khỏi điểm. Trục quang chính vuông góc với cả hai mặt cầu nên chùm sáng này đi qua thấu kính không bị khúc xạ.

Bây giờ chúng ta hãy lấy một chùm tia chạy song song với trục quang học chính. Tại thời điểm rơi
chùm tia tới thấu kính được vẽ theo phương pháp tuyến trên bề mặt thấu kính; khi chùm tia truyền từ không khí đến thủy tinh có mật độ quang học dày hơn, góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Do đó, chùm tia khúc xạ tiến tới trục quang học chính.

Pháp tuyến cũng được vẽ tại điểm mà chùm tia ra khỏi thấu kính. Chùm sáng truyền vào không khí ít đặc hơn về mặt quang học nên góc khúc xạ lớn hơn góc tới; cá đuối
khúc xạ lại đối với trục quang học chính và cắt nó tại điểm.

Do đó, bất kỳ tia nào song song với trục quang học chính, sau khi khúc xạ trong thấu kính, tiến đến trục quang học chính và đi qua nó. Trên hình. 2 cho thấy mẫu khúc xạ là đủ rộng chùm sáng song song với quang trục chính.

Như bạn có thể thấy, một chùm ánh sáng rộng không tập trung thấu kính: chùm tia tới nằm càng xa trục chính thì tia tới càng gần thấu kính qua trục chính sau khi khúc xạ. Hiện tượng này được gọi là cầu sai và đề cập đến nhược điểm của thấu kính - xét cho cùng, tôi vẫn muốn thấu kính giảm chùm tia song song xuống một điểm.

Có thể đạt được tiêu điểm rất chấp nhận được bằng cách sử dụng chật hẹp một chùm sáng đi qua gần trục chính. sau đó cầu sai gần như không thể nhận thấy - hãy nhìn vào hình. 3.

Người ta thấy rõ rằng một chùm tia hẹp song song với trục chính được thu vào một khoảng sau khi đi qua thấu kính. Vì lý do này, ống kính của chúng tôi được gọi là sưu tập.

Điểm được gọi là tiêu điểm của thấu kính. Nói chung, một thấu kính có hai tiêu điểm nằm trên trục quang học chính ở bên phải và bên trái của thấu kính. Khoảng cách từ tiêu điểm đến thấu kính không nhất thiết phải bằng nhau, nhưng chúng ta sẽ luôn xử lý các tình huống mà tiêu điểm nằm đối xứng với thấu kính.

Thấu kính lõm.

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một ống kính hoàn toàn khác, giới hạn bởi hai lõm xuống các bề mặt hình cầu (Hình 4). Một thấu kính như vậy được gọi là hai mặt lõm. Cũng như trên, chúng ta sẽ theo dõi quá trình của hai tia, được hướng dẫn bởi định luật khúc xạ.

Chùm tia rời khỏi điểm và đi dọc theo trục quang học chính không bị khúc xạ - xét cho cùng, trục quang học chính, là trục đối xứng của thấu kính, vuông góc với cả hai mặt cầu.

Chùm tia song song với trục chính, sau khúc xạ thứ nhất, bắt đầu đi ra xa nó (kể từ khi truyền từ không khí sang thủy tinh), và sau khúc xạ thứ hai, nó càng ra xa trục quang chính (kể từ khi truyền từ kính để không khí).

Thấu kính hai mặt lõm chuyển chùm sáng song song thành chùm phân kì (hình 5) và do đó được gọi là phân tán.

Quang sai hình cầu cũng được quan sát thấy ở đây: sự liên tục của các tia phân kỳ không cắt nhau tại một điểm. Ta thấy rằng chùm tia tới càng xa trục chính, càng gần thấu kính thì chùm khúc xạ đi qua trục chính càng gần thấu kính.

Như trong trường hợp thấu kính hai mặt lồi, quang sai cầu hầu như không thể nhận thấy đối với chùm tia paraxial hẹp (Hình 6). Sự liên tục của các tia phân kỳ từ thấu kính cắt nhau tại một điểm - tại tiêu điểm thấu kính.

Nếu một chùm tia phân kỳ như vậy đi vào mắt chúng ta, thì chúng ta sẽ thấy một điểm sáng phía sau thấu kính! Tại sao? Nhớ lại cách một hình ảnh xuất hiện trong gương phẳng: bộ não của chúng ta có khả năng tiếp tục các tia sáng phân kỳ cho đến khi chúng giao nhau và tạo ra ảo giác về một vật thể phát sáng tại nơi giao nhau (cái gọi là hình ảnh tưởng tượng). Đó chính xác là một ảnh ảo nằm ở tiêu điểm của thấu kính mà chúng ta sẽ thấy trong trường hợp này.

Các loại thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì.

Chúng ta đã xem xét hai thấu kính: một thấu kính hai mặt lồi hội tụ và một thấu kính hai mặt lõm phân kỳ. Có những ví dụ khác về thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ.

Một bộ đầy đủ các thấu kính hội tụ được thể hiện trong Hình. 7.

Ngoài thấu kính hai mặt lồi mà chúng ta biết, đây là: lồi lõm một thấu kính trong đó một trong các bề mặt phẳng, và mặt lồi lõm một thấu kính kết hợp bề mặt ranh giới lõm và lồi. Lưu ý rằng trong thấu kính lồi-lõm, bề mặt lồi cong hơn (bán kính cong của nó nhỏ hơn); do đó, hiệu ứng hội tụ của bề mặt khúc xạ lồi lớn hơn hiệu ứng tán xạ của bề mặt lõm, và thấu kính nói chung là hội tụ.

Tất cả các thấu kính khuếch tán có thể có được hiển thị trong Hình. số 8 .

Cùng với thấu kính hai mặt lõm, chúng ta thấy lõm xuống(một trong những bề mặt phẳng) và lõm lồiống kính. Bề mặt lõm của thấu kính lồi-lõm cong hơn, do đó hiệu ứng tán xạ của ranh giới lõm chiếm ưu thế hơn hiệu ứng hội tụ của ranh giới lồi và toàn bộ thấu kính là phân kỳ.

Cố gắng tự xây dựng đường đi của tia trong những loại thấu kính mà chúng ta chưa xem xét và đảm bảo rằng chúng thực sự hội tụ hoặc khuếch tán. Cái này bài tập tuyệt vời, và không có gì phức tạp trong đó - giống hệt như cấu tạo mà chúng tôi đã làm ở trên!

Mục tiêu bài học: hình thành ý tưởng về cấu trúc của mắt và các cơ chế của hệ thống quang học của mắt; làm sáng tỏ tính điều kiện của cấu trúc hệ thống quang học của mắt bằng các định luật vật lý; phát triển khả năng phân tích các hiện tượng được nghiên cứu; phát triển một thái độ quan tâm đến sức khoẻ của chính mình và sức khoẻ của người khác.

Thiết bị, dụng cụ: bàn "Cơ quan thị giác", mô hình "Mắt người"; thấu kính thu sáng, thấu kính có độ cong lớn, thấu kính có độ cong nhỏ, nguồn sáng, phiếu nhiệm vụ; trên bảng HS: thấu kính thu sáng, thấu kính khuếch tán ánh sáng, màn có khe, nguồn sáng, màn chắn.

THỜI GIAN LỚP HỌC

Giáo viên dạy môn Sinh học. Một người có hệ thống định hướng về thế giới xung quanh - hệ thống giác quan, không chỉ giúp định hướng mà còn thích ứng với các điều kiện môi trường thay đổi. Ở bài trước, các bạn đã bắt đầu làm quen với cấu tạo của cơ quan thị giác. Chúng ta hãy nhìn vào những thứ này. Để làm điều này, bạn phải hoàn thành nhiệm vụ trên thẻ và trả lời các câu hỏi.

Xem lại câu hỏi

Tại sao một người cần tầm nhìn?
Cơ quan nào thực hiện chức năng này?
- Con mắt nằm ở đâu?
Kể tên các màng của mắt và chức năng của chúng.
Kể tên các bộ phận của mắt giúp bảo vệ mắt khỏi bị thương.

Có một cái bàn trên bảng Cơ quan thị giác”, Trên bàn của giáo viên - một mô hình“ Mắt người ”. Sau khi thu phiếu có câu trả lời của học sinh, giáo viên dạy sinh học kiểm tra sự hoàn thành của các em, cùng với học sinh nêu tên và thể hiện các bộ phận của mắt trên mô hình và áp phích.

Học sinh được phát một thẻ thứ hai.

Giáo viên dạy môn Sinh học. Dựa trên kiến thức cấu trúc giải phẫu mắt, kể tên những bộ phận nào của mắt có thể thực hiện chức năng quang học.

(Học sinh tham khảo mô hình của mắt, đi đến kết luận rằng hệ thống quang học của mắt gồm giác mạc, thủy tinh thể, thể thủy tinh và võng mạc.)

Giáo viên vật lý. Thiết bị quang học nào khiến bạn liên tưởng đến ống kính?

Sinh viên. Thấu kính hai mặt lồi.

Giáo viên vật lý. Bạn vẫn biết những loại thấu kính nào, và đặc tính của chúng là gì?

Sinh viên. Thấu kính hai mặt lồi là thấu kính hội tụ, tức là Tia đi qua thấu kính hội tụ tại một điểm gọi là tiêu điểm. Thấu kính hai mặt lõm là thấu kính phân kì, các tia đi qua thấu kính bị tán xạ sao cho tia tiếp theo được thu vào một tiêu điểm tưởng tượng.

(Giáo viên vật lý vẽ(cơm. một) HS lên bảng và ghi vào vở, đường đi của tia trong thấu kính thu và thấu kính tán xạ..)

Cơm. 1. Đường đi của tia trong thấu kính hội tụ và phân kì (F - tiêu điểm)

Giáo viên vật lý.Ảnh sẽ như thế nào nếu vật nằm ngoài hai lần tiêu cự của thấu kính hội tụ?

(HS vẽ đường đi của tia vào vở trong trường hợp này (hình 2) và đảm bảo rằng hình thu nhỏ, thực, ngược.)

Cơm. 2. Cấu tạo ảnh trong thấu kính hội tụ

Thử nghiệm trực diện

Trên mỗi bàn, học sinh có một thấu kính hội tụ và phân kỳ, một nguồn dòng điện, một bóng đèn điện đặt trên giá đỡ, một màn hình có khe dạng chữ G và một màn chắn.

Giáo viên vật lý mời học sinh chọn một mặt lồi, tức là thấu kính hội tụ và kiểm chứng bằng thực nghiệm rằng thấu kính hội tụ cho ảnh ngược chiều. Học sinh lắp ráp cài đặt (Hình 3) và di chuyển thấu kính so với màn hình để thu được hình ảnh rõ nét của chữ G ngược.

(Bằng kinh nghiệm, học sinh tin rằng ảnh là ảnh thật và chỉ thu được rõ ràng trên màn tại một vị trí nhất định của màn so với thấu kính..)

Cơm. 3. Sơ đồ lắp đặt biểu diễn đường đi của tia trong thấu kính hội tụ

Giáo viên dạy môn Sinh học. Kể từ khi thủy tinh thể, giác mạc và cơ thể thủy tinh thể- đây là thấu kính hội tụ, khi đó hệ thống quang học của mắt cho hình ảnh giảm ngược và ta sẽ thấy thế giới bị đảo lộn. Điều gì cho phép bạn nhìn thấy mọi thứ lộn ngược?

Sinh viên. Tầm nhìn bình thường và không bị đảo ngược của các đối tượng là do chúng được “lật lại” lặp đi lặp lại trong phần vỏ não của máy phân tích thị giác.

Giáo viên dạy môn Sinh học. Chúng ta nhìn rõ các vật thể ở các khoảng cách khác nhau. Điều này là do các cơ gắn vào ống kính và bằng cách co lại, điều chỉnh độ cong của nó.

Giáo viên vật lý. Chúng ta hãy thực nghiệm xem xét các đặc tính của thấu kính thay đổi như thế nào tùy thuộc vào độ cong của nó. Bán kính cong càng nhỏ thì tiêu cự, - những thấu kính như vậy được gọi là thấu kính tiêu cự ngắn, thấu kính có độ cong nhỏ, tức là với lớn Bán kính cong, được gọi là tiêu điểm dài (Hình 4).

Cơm. 4. Thay đổi các đặc tính của thấu kính tùy thuộc vào độ cong của nó

Giáo viên dạy môn Sinh học. Khi quan sát các vật ở gần, thấu kính có bán kính cong giảm và hoạt động như một thấu kính tiêu cự ngắn. Khi quan sát các vật ở xa, thấu kính có bán kính cong tăng lên và hoạt động như một thấu kính chụp xa. Trong cả hai trường hợp, điều này là cần thiết để đảm bảo rằng hình ảnh luôn tập trung vào võng mạc. Khả năng nhìn rõ các vật ở các khoảng cách khác nhau do độ cong của thấu kính thay đổi được gọi là vật ở (học sinh ghi định nghĩa vào vở).

Có những sai lệch trong cấu trúc của mắt hoặc trong công việc của thủy tinh thể.

Với cận thị, hình ảnh tập trung ở phía trước võng mạc do độ cong quá mức của thủy tinh thể hoặc sự giãn dài của trục của mắt. Với tật viễn thị, hình ảnh tập trung ở phía sau võng mạc do độ cong của thủy tinh thể không đủ hoặc trục của mắt bị rút ngắn.

Giáo viên vật lý. Những thấu kính nào cần thiết để sửa tật cận thị và những thấu kính nào cần thiết để sửa tật viễn thị?

Sinh viên. Cận thị là thấu kính phân kì, viễn thị là thấu kính hội tụ.

(Giáo viên dạy vật lý bằng kinh nghiệm chứng minh bằng thực nghiệm chứng minh tính đúng đắn của kết luận của học sinh.)

Giáo viên dạy môn Sinh học. Có một độ lệch khác so với tiêu chuẩn trong hoạt động của hệ thống quang học mắt người là loạn thị. Loạn thị là sự không thể hội tụ của tất cả các tia tại một điểm, tại một tiêu điểm. Điều này là do sự sai lệch về độ cong của giác mạc so với hình cầu. Thấu kính hình trụ được dùng để điều chỉnh tật loạn thị.

kết luận

Học sinh cùng với giáo viên sinh học xây dựng các quy tắc cơ bản về vệ sinh thị giác:

- bảo vệ mắt khỏi các tác động cơ học;
- đọc trong phòng đủ ánh sáng;
- giữ sách ở một khoảng cách nhất định (33–35 cm) từ mắt;
- ánh sáng nên đổ về bên trái;
- bạn không thể dựa sát vào cuốn sách, bởi vì điều này có thể dẫn đến sự phát triển của cận thị;
- bạn không thể đọc trong một chiếc xe đang di chuyển, bởi vì. do vị trí của sách không ổn định, tiêu cự thay đổi liên tục dẫn đến thay đổi độ cong của thủy tinh thể, giảm độ đàn hồi, hậu quả là cơ thể mi yếu đi và thị lực bị suy giảm. .

thấu kính hai mặt lồi

Thấu kính lồi Plano

Đặc điểm của thấu kính mỏng

Tùy thuộc vào các hình thức, có tập thể(tích cực) và phân tán(âm bản) thấu kính. Nhóm thấu kính hội tụ thường bao gồm thấu kính, trong đó thấu kính ở giữa dày hơn viền của chúng, và nhóm thấu kính phân kỳ là thấu kính mà mép dày hơn viền giữa. Cần lưu ý rằng điều này chỉ đúng khi chiết suất của vật liệu làm thấu kính lớn hơn chiết suất của Môi trường. Nếu chiết suất của thấu kính nhỏ hơn, tình hình sẽ được đảo ngược. Ví dụ, một bong bóng khí trong nước là một thấu kính khuếch tán hai mặt lồi.

Theo quy luật, các ống kính được đặc trưng bởi công suất quang học của chúng (được đo bằng đi-ốp), hoặc độ dài tiêu cự.

Để chế tạo các thiết bị quang học với quang sai đã được hiệu chỉnh (chủ yếu là sắc độ, do phân tán ánh sáng, - achromat và apochromat), các đặc tính khác của thấu kính / vật liệu của chúng cũng rất quan trọng, ví dụ, chỉ số khúc xạ, hệ số phân tán, độ truyền qua của vật liệu trong vật liệu đã chọn phạm vi quang học.

Đôi khi thấu kính / hệ thống quang học thấu kính (khúc xạ) được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong môi trường có chiết suất tương đối cao (xem kính hiển vi ngâm, chất lỏng ngâm).

Các loại ống kính:
Thu thập:
1 - hai mặt lồi
2 - phẳng-lồi
3 - lồi lõm (mặt khum dương)
Phân tán:
4 - hai mặt lõm
5 - phẳng-lõm
6 - lồi lõm (mặt khum âm)

Thấu kính lồi - lõm được gọi là khum và có thể là tập thể (dày dần về phía giữa) hoặc phân tán (dày dần về phía rìa). Mặt khum, có bán kính bề mặt bằng nhau, có công suất quang học, số không(được sử dụng để hiệu chỉnh độ tán sắc hoặc làm ống kính che). Vì vậy, các thấu kính của kính cận thị thường là minisci âm tính.

Tính chất đặc biệt của thấu kính hội tụ là khả năng thu các tia tới trên bề mặt của nó tại một điểm nằm ở phía bên kia của thấu kính.

Các yếu tố chính của thấu kính: NN - trục quang học chính - đường thẳng đi qua tâm của các mặt cầu giới hạn thấu kính; O - quang tâm - một điểm đối với thấu kính hai mặt lồi hoặc hai mặt lõm (có cùng bán kính bề mặt), nằm trên trục quang học bên trong thấu kính (ở tâm của nó).
Ghi chú. Đường đi của các tia được biểu diễn như trong một thấu kính lý tưởng (phẳng), không cho thấy sự khúc xạ ở ranh giới pha thực. Ngoài ra, một hình ảnh hơi phóng đại của thấu kính hai mặt lồi được hiển thị.

Nếu đặt điểm sáng S cách thấu kính hội tụ một khoảng nào đó thì một chùm tia sáng có phương dọc theo trục sẽ đi qua thấu kính mà không bị khúc xạ, còn các tia không đi qua tâm sẽ bị khúc xạ đối với quang tâm. trục và cắt nhau trên đó tại một điểm F nào đó, và sẽ là ảnh của điểm S. Điểm này được gọi là tiêu điểm liên hợp, hay đơn giản là tiêu điểm.

Nếu ánh sáng từ một nguồn ở rất xa rơi vào thấu kính, các tia của chúng có thể được biểu thị là truyền theo một chùm song song, thì khi ra khỏi thấu kính, các tia sẽ bị khúc xạ ở một góc lớn hơn và điểm F sẽ chuyển động trên quang. trục gần thấu kính hơn. Trong điều kiện đó, giao điểm của các tia ló ra khỏi thấu kính được gọi là trọng tâm chính F ', và khoảng cách từ tâm thấu kính đến tiêu điểm chính - tiêu cự chính.

Các tia tới trên thấu kính phân kỳ, khi thoát ra khỏi nó, sẽ bị khúc xạ về phía các cạnh của thấu kính, tức là chúng sẽ bị phân tán. Nếu những tia này tiếp tục vào hướng ngược lại như thể hiện trong hình bởi một đường chấm chấm, sau đó chúng sẽ hội tụ tại một điểm F, điểm này sẽ là tiêu điểmống kính này. Tiêu điểm này sẽ tưởng tượng.

Tiêu điểm biểu kiến của thấu kính phân kỳ

Điều đã nói về tiêu điểm trên trục chính cũng áp dụng tương tự cho các trường hợp khi ảnh của một điểm nằm trên trục chính phụ hoặc nghiêng, nghĩa là một đường thẳng đi qua tâm thấu kính một góc so với ảnh chính. trục quang học. Mặt phẳng vuông góc với quang trục chính, nằm ở tiêu điểm chính của thấu kính, gọi là mặt phẳng tiêu điểm chính và trong tiêu điểm liên hợp - chỉ mặt phẳng tiêu điểm.

Thấu kính thu có thể hướng đến vật thể theo bất kỳ mặt nào, do đó các tia đi qua thấu kính có thể được thu thập từ mặt này hoặc mặt kia của nó. Do đó, ống kính có hai tiêu điểm - sự trơ trẽn Và ở phía sau. Chúng nằm trên trục quang học ở cả hai mặt của thấu kính và cách tâm thấu kính một tiêu cự.

Chụp ảnh bằng thấu kính hội tụ mỏng

Khi mô tả các đặc điểm của thấu kính, người ta xem xét nguyên tắc dựng ảnh của điểm sáng tại tiêu điểm của thấu kính. Tia tới trên thấu kính từ bên trái đi qua tiêu điểm sau của nó và tia tới từ bên phải đi qua tiêu điểm trước. Cần lưu ý rằng trong thấu kính phân kỳ thì ngược lại, tiêu điểm phía sau nằm ở phía trước thấu kính, và tiêu điểm phía trước nằm ở phía sau.

Dựng ảnh thấu kính của các vật có hình thức nhất định và kích thước, thu được như sau: giả sử đoạn thẳng AB là một vật nằm cách thấu kính một khoảng nào đó, lớn hơn nhiều so với tiêu cự của nó. Từ mỗi điểm của vật qua thấu kính sẽ truyền qua vô số tia, trong đó, để rõ ràng, hình vẽ dưới dạng giản đồ chỉ có ba tia.

Ba tia phát ra từ điểm A sẽ đi qua thấu kính và cắt nhau tại các điểm biến mất tương ứng của chúng trên A 1 B 1 để tạo thành ảnh. Hình ảnh kết quả là có hiệu lực Và lộn ngược.

Trong trường hợp này, ảnh thu được ở tiêu điểm liên hợp trong một số mặt phẳng tiêu điểm FF, hơi xa tiêu điểm chính F'F ', đi song song với nó qua tiêu điểm chính.

Nếu vật ở cách thấu kính một khoảng vô hạn thì ảnh của nó thu được ở tiêu điểm sau của thấu kính là F ' có hiệu lực, lộn ngược Và giảmđến một điểm tương tự.

Nếu một vật ở gần thấu kính và ở khoảng cách lớn hơn hai lần tiêu cự của thấu kính thì ảnh của nó sẽ là có hiệu lực, lộn ngược Và giảm và sẽ nằm sau tiêu điểm chính trên đoạn giữa nó và tiêu cự kép.

Nếu một vật được đặt ở tiêu cự gấp đôi tiêu cự của thấu kính, thì ảnh thu được nằm ở phía bên kia của thấu kính với tiêu cự gấp đôi so với tiêu cự của nó. Hình ảnh thu được có hiệu lực, lộn ngược Và kích thước bằng nhau môn học.

Nếu một đối tượng được đặt giữa tiêu điểm phía trước và tiêu cự gấp đôi, thì hình ảnh sẽ được chụp vượt quá tiêu cự gấp đôi và sẽ có hiệu lực, lộn ngược Và phóng to.

Nếu vật nằm trong mặt phẳng tiêu điểm chính trước của thấu kính thì các tia ló qua thấu kính sẽ đi song song và chỉ có thể thu được ảnh ở vô cực.

Nếu đặt vật cách thấu kính một khoảng nhỏ hơn tiêu cự chính thì tia ló ra khỏi thấu kính là chùm phân kì, không cắt nhau ở đâu. Điều này dẫn đến một hình ảnh tưởng tượng, trực tiếp Và phóng to, tức là, trong trường hợp này, ống kính hoạt động giống như một kính lúp.

Dễ thấy rằng khi một vật tiến từ vô cực đến tiêu điểm trước của thấu kính thì ảnh dời ra khỏi tiêu điểm sau, và khi vật đến mặt phẳng tiêu điểm trước thì ảnh ra xa tiêu điểm ở vô cực.

Mẫu này có tầm quan trọng lớn trong thực tế các loại tác phẩm nhiếp ảnh, do đó, để xác định mối quan hệ giữa khoảng cách từ vật đến thấu kính và từ thấu kính đến mặt phẳng ảnh, cần phải biết chính công thức thấu kính.

Công thức ống kính mỏng

Khoảng cách từ tiêu điểm vật đến tâm thấu kính và từ tiêu điểm ảnh đến tâm thấu kính được gọi là tiêu cự liên hợp.

Các đại lượng này phụ thuộc vào nhau và được xác định bằng công thức gọi là công thức thấu kính mỏng :

khoảng cách từ thấu kính đến vật là đâu; - khoảng cách từ thấu kính đến ảnh; là tiêu cự chính của thấu kính. Trong trường hợp thấu kính dày, công thức vẫn không thay đổi với sự khác biệt duy nhất là khoảng cách được đo không phải từ tâm thấu kính mà từ các mặt phẳng chính.

Để tìm một hoặc một đại lượng chưa biết khác với hai đại lượng đã biết, sử dụng các phương trình sau:

Cần lưu ý rằng các dấu hiệu của các đại lượng u , v , fđược lựa chọn dựa trên những cân nhắc sau - để có hình ảnh thực tế từ chủ đề thực tế trong thấu kính hội tụ - tất cả các đại lượng này đều dương. Nếu ảnh là ảnh ảo - khoảng cách tới nó là âm, nếu vật là ảnh ảo - khoảng cách tới nó là âm, nếu thấu kính phân kỳ - tiêu cự là âm.

Quy mô hình ảnh

Tỷ lệ hình ảnh () là tỷ số giữa các kích thước tuyến tính của hình ảnh với các kích thước tuyến tính tương ứng của đối tượng. Tỷ lệ này có thể được biểu thị gián tiếp dưới dạng một phân số, trong đó khoảng cách từ thấu kính đến hình ảnh; là khoảng cách từ thấu kính đến vật.

Ở đây có một hệ số giảm, tức là một số cho biết kích thước tuyến tính của hình ảnh nhỏ hơn kích thước tuyến tính thực của đối tượng bao nhiêu lần.

Trong thực tế tính toán, sẽ thuận tiện hơn nhiều khi thể hiện tỷ lệ này theo hoặc, ở đâu là tiêu cự của ống kính.

Tính tiêu cự và công suất quang học của thấu kính

Các thấu kính đối xứng, nghĩa là chúng có cùng độ dài tiêu cự bất kể hướng của ánh sáng - trái hay phải, tuy nhiên, điều này không áp dụng cho các đặc điểm khác, chẳng hạn như quang sai, độ lớn của chúng phụ thuộc vào mặt nào của thấu kính quay về phía có ánh sáng.

Kết hợp nhiều ống kính (Hệ thống căn giữa)

Các thấu kính có thể được kết hợp với nhau để xây dựng các hệ thống quang học phức tạp. Công suất quang học của hệ hai thấu kính có thể được tìm thấy là tổng đơn giản công suất quang học của mỗi thấu kính (với điều kiện cả hai thấu kính đều có thể coi là mỏng và chúng nằm gần nhau trên cùng một trục):

Nếu các thấu kính được đặt ở một khoảng cách nào đó với nhau và trục của chúng trùng nhau (một hệ thống gồm một số thấu kính tùy ý với đặc tính này được gọi là hệ thống định tâm), thì tổng công suất quang học của chúng có thể được tìm thấy với mức độ chính xác đủ lớn từ biểu thức sau:

đâu là khoảng cách giữa các mặt phẳng chính của thấu kính.

Nhược điểm của một ống kính đơn giản

Trong các thiết bị nhiếp ảnh hiện đại, chất lượng hình ảnh được đặt ra rất cao.

Hình ảnh đưa ra bởi một thấu kính đơn giản, do một số thiếu sót nên không đáp ứng được những yêu cầu này. Loại bỏ hầu hết các khuyết điểm đạt được bằng cách lựa chọn thích hợp một số thấu kính trong hệ thống quang học trung tâm - thấu kính. Hình ảnh được chụp bằng ống kính đơn giản có nhiều nhược điểm khác nhau. Nhược điểm của hệ thống quang học được gọi là quang sai, được chia thành các loại sau:

Quang sai hình học
Quang sai nhiễu xạ (quang sai này do các phần tử khác của hệ thống quang học gây ra và không liên quan gì đến bản thân thấu kính).

Thấu kính có tính chất đặc biệt

Thấu kính polyme hữu cơ

Kính áp tròng

thấu kính thạch anh

Thủy tinh thạch anh - silica tinh khiết nấu chảy lại có bổ sung một lượng nhỏ (khoảng 0,01%) Al 2 O 3, CaO và MgO. Nó được đặc trưng bởi độ bền nhiệt cao và trơ với nhiều thuốc thử hóa học, ngoại trừ axit flohydric.

Sự khúc xạ ánh sáng được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ quang học khác nhau: máy ảnh, ống nhòm, kính thiên văn, kính hiển vi. . . Một bộ phận không thể thiếu và thiết yếu nhất của các thiết bị đó chính là ống kính.

Thấu kính là một vật thể đồng nhất trong suốt về mặt quang học được giới hạn ở cả hai phía bởi hai mặt cầu (hoặc một mặt cầu và một mặt phẳng).

Tròng kính thường được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo đặc biệt trong suốt. Nói về chất liệu của thấu kính, chúng ta sẽ gọi nó là thủy tinh, điều này không đóng một vai trò gì đặc biệt.

4.4.1 thấu kính hai mặt lồi

Trước hết hãy xem xét một thấu kính được giới hạn ở cả hai phía bởi hai mặt cầu lồi (Hình 4.16). Thấu kính như vậy được gọi là thấu kính hai mặt lồi. Nhiệm vụ của chúng ta bây giờ là tìm hiểu đường đi của các tia trong thấu kính này.

Cơm. 4,16. Khúc xạ trong thấu kính hai mặt lồi

Tình huống đơn giản nhất là với chùm tia đi dọc theo trục quang học chính của trục đối xứng thấu kính. Trên hình. 4.16 tia này rời khỏi điểm A0. Trục quang chính vuông góc với cả hai mặt cầu nên chùm sáng này đi qua thấu kính không bị khúc xạ.

Bây giờ chúng ta hãy lấy một tia AB, chạy song song với trục chính. Tại điểm B thuộc tia tới trên thấu kính, pháp tuyến MN đến mặt thấu kính; Vì chùm tia truyền từ không khí đến thủy tinh có mật độ quang học dày hơn nên góc khúc xạ CBN nhỏ hơn góc tới ABM. Do đó, tia khúc xạ BC tiến tới quang trục chính.

Tại điểm C của chùm tia ra khỏi thấu kính cũng vẽ pháp tuyến P Q, chùm tia truyền vào không khí có mật độ quang học kém hơn nên góc khúc xạ QCD lớn hơn góc tới P CB; chùm khúc xạ lại đối với quang trục chính và đi qua điểm D.

Do đó, bất kỳ tia nào song song với trục quang học chính, sau khi khúc xạ trong thấu kính, tiến đến trục quang học chính và đi qua nó. Trên hình. 4.17 cho thấy hình ảnh khúc xạ của một chùm sáng đủ rộng song song với trục chính.

Cơm. 4.17. Quang sai cầu trong thấu kính hai mặt lồi

Như bạn thấy, một chùm sáng rộng không được thấu kính hội tụ: chùm tia tới càng xa trục chính thì càng gần thấu kính, nó đi qua trục quang chính sau khi khúc xạ. Hiện tượng này được gọi là quang sai cầu và ám chỉ những khuyết điểm của thấu kính, vì chúng ta vẫn muốn thấu kính giảm chùm tia song song xuống một điểm5.

Có thể lấy nét rất chấp nhận được bằng cách sử dụng chùm ánh sáng hẹp đi qua gần trục quang học chính. Sau đó, quang sai hình cầu hầu như không thể nhận thấy khi nhìn vào hình. 4.18.

Cơm. 4.18. Lấy nét chùm tia hẹp bằng thấu kính hội tụ

Người ta thấy rõ chùm tia hẹp song song với quang trục chính sau khi đi qua thấu kính thì thu vào một điểm F xấp xỉ. Vì lý do này, ống kính của chúng tôi được gọi là

sưu tập.

5 Thực sự có thể lấy nét chính xác chùm tia rộng, nhưng đối với điều này thì bề mặt thấu kính phải có hình dạng phức tạp hơn là hình cầu. Việc mài các thấu kính như vậy rất tốn thời gian và không thực tế. Việc chế tạo thấu kính hình cầu và xử lý quang sai hình cầu đang nổi lên dễ dàng hơn.

Nhân tiện, quang sai được gọi chính xác là hình cầu bởi vì nó phát sinh do thay thế một thấu kính phi hình cầu phức tạp hội tụ tối ưu bằng một thấu kính hình cầu đơn giản.

Điểm F được gọi là tiêu điểm của thấu kính. Nói chung, một thấu kính có hai tiêu điểm nằm trên trục quang học chính ở bên phải và bên trái của thấu kính. Khoảng cách từ tiêu điểm đến thấu kính không nhất thiết phải bằng nhau, nhưng chúng ta sẽ luôn xử lý các tình huống mà tiêu điểm nằm đối xứng với thấu kính.

4.4.2 Thấu kính lõm

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một thấu kính hoàn toàn khác, được giới hạn bởi hai mặt cầu lõm (Hình 4.19). Thấu kính như vậy được gọi là thấu kính hai mặt lõm. Cũng như trên, chúng ta sẽ theo dõi quá trình của hai tia, được hướng dẫn bởi định luật khúc xạ.

Cơm. 4.19. Khúc xạ trong thấu kính hai mặt lõm

Chùm sáng rời điểm A0 và đi dọc theo trục chính không bị khúc xạ vì trục chính là trục đối xứng của thấu kính vuông góc với cả hai mặt cầu.

Tia AB, song song với trục chính, sau khúc xạ thứ nhất bắt đầu dịch ra xa nó (vì khi truyền từ không khí sang thủy tinh \ CBN< \ABM), а после второго преломления удаляется от главной оптической оси ещё сильнее (так как при переходе из стекла в воздух \QCD >\ PCB). Thấu kính hai mặt lõm hội tụ chùm sáng song song thành chùm phân kì (Hình 4.20) và do đó được gọi là thấu kính phân kì.

Cơm. 4,20. Quang sai cầu trong thấu kính hai mặt lõm

Như trong trường hợp thấu kính hai mặt lồi, quang sai cầu hầu như không thể nhận thấy đối với chùm tia paraxial hẹp (Hình 4.21). Phần kéo dài của các tia phân kì ra khỏi thấu kính cắt nhau tại một điểm ở tiêu điểm F của thấu kính.

Cơm. 4.21. Sự khúc xạ của chùm tia hẹp trong thấu kính phân kỳ

Nếu một chùm tia phân kỳ như vậy đi vào mắt chúng ta, thì chúng ta sẽ thấy một điểm sáng phía sau thấu kính! Tại sao? Hãy nhớ cách một hình ảnh xuất hiện trong gương phẳng: não của chúng ta có khả năng tiếp tục các tia phân kỳ cho đến khi chúng giao nhau và tạo ra ảo ảnh về một vật thể phát sáng tại giao điểm (cái gọi là hình ảnh tưởng tượng). Đó chính xác là một ảnh ảo nằm ở tiêu điểm của thấu kính mà chúng ta sẽ thấy trong trường hợp này.

Ngoài thấu kính hai mặt lồi mà chúng ta đã biết, dưới đây được minh họa: thấu kính lồi-plano, trong đó một trong các bề mặt là phẳng và thấu kính lõm-lồi, kết hợp các bề mặt ranh giới lõm và lồi. Lưu ý rằng trong thấu kính lồi-lõm, bề mặt lồi cong hơn (bán kính cong của nó nhỏ hơn); do đó, hiệu ứng hội tụ của bề mặt khúc xạ lồi lớn hơn hiệu ứng tán xạ của bề mặt lõm, và thấu kính nói chung là hội tụ.

Tất cả các thấu kính khuếch tán có thể có được hiển thị trong Hình. 4,23.

Cơm. 4,23. Thấu kính phân kỳ

Cùng với thấu kính hai mặt lõm, chúng ta thấy một thấu kính lõm (một trong những bề mặt của nó là phẳng) và một thấu kính lồi-lõm. Bề mặt lõm của thấu kính lồi-lõm cong hơn, do đó hiệu ứng tán xạ của ranh giới lõm chiếm ưu thế hơn hiệu ứng hội tụ của ranh giới lồi và toàn bộ thấu kính là phân kỳ.

Cố gắng tự xây dựng đường đi của tia trong những loại thấu kính mà chúng ta chưa xem xét và đảm bảo rằng chúng thực sự hội tụ hoặc khuếch tán. Đây là một bài tập tuyệt vời và không có gì khó trong nó giống hệt như các cấu tạo mà chúng ta đã làm ở trên!