Какво е оптична леща. Лещи. Характеристики и видове лещи. Формула за тънки лещи

Всеки знае, че фотографският обектив се състои от оптични елементи. Повечето фотографски обективи използват лещи като такива елементи. Лещите във фотографския обектив са разположени на главната оптична ос, образувайки оптичната схема на обектива.

Оптична сферична леща - представлява прозрачен еднороден елемент, ограничен от две сферични или едната сферична, а другата плоска повърхност.

В съвременните фотографски обективи те също се използват широко, асфериченлещи, чиято повърхностна форма е различна от сфера. В този случай може да има параболични, цилиндрични, торични, конични и други извити повърхности, както и повърхности на въртене с ос на симетрия.

Лещите могат да бъдат направени от различни сортовеоптично стъкло, както и прозрачни пластмаси.

Цялото разнообразие от сферични лещи може да се сведе до два основни вида: Събиране(или положителен, изпъкнал) и Разпръскване(или отрицателен, вдлъбнат). Събиращите лещи в центъра са по-дебели, отколкото по краищата, напротив, разсейващите лещи в центъра са по-тънки, отколкото по краищата.

При събирателните лещи успоредните лъчи, преминаващи през нея, се фокусират в една точка зад лещата. При разсейващите лещи лъчите, преминаващи през лещата, се разпръскват настрани.

аз ще. 1. Събирателни и разсейващи лещи.

само положителни лещиможе да дава изображения на предмети. AT оптични системиах давайки реално изображение (по-специално лещи), разсейващите лещи могат да се използват само заедно с колективни.

Според формата на напречното сечение се разграничават шест основни вида лещи:

1. двойноизпъкнали събирателни лещи;
2. плоско-конвексни събирателни лещи;
3. вдлъбнато-изпъкнали събирателни лещи (мениски);
4. двойно вдлъбнати разсейващи лещи;
5. плоско-вдлъбнати разсейващи лещи;
6. изпъкнало-вдлъбнати разсейващи лещи.

аз ще. 2. Шест вида сферични лещи.

Сферичните повърхности на лещата могат да бъдат различни кривина(степен на изпъкналост / вдлъбнатост) и разл аксиална дебелина.

Нека разгледаме тези и някои други концепции по-подробно.

аз ще. 3. Елементи на двойноизпъкнала леща

На фигура 3 можете да видите образуването на двойноизпъкнала леща.

• C1 и C2 са центровете на сферичните повърхности, ограничаващи лещата, те се наричат центрове на кривина.
• R1 и R2 са радиусите на сферичните повърхности на лещата или радиуси на кривина.
• Нарича се правата, свързваща точките С1 и С2 главна оптична ослещи.
• Точките на пресичане на главната оптична ос с повърхностите на лещата (А и В) се наричат върховете на лещите.
• Разстояние от точката Акъм основния въпрос бНаречен дебелина на аксиалната леща.

Ако паралелен лъч светлинни лъчи се насочи към лещата от точка, лежаща на главната оптична ос, то след преминаване през нея те ще се съберат в точката Е, който също е на главната оптична ос. Тази точка се нарича основен фокуслещи и разстоянието fот обектива до тази точка - основно фокусно разстояние.

аз ще. 4. Главен фокус, основна фокална равнина и фокусно разстояние на обектива.

Самолет MNперпендикулярна на главната оптична ос и минаваща през главния фокус се нарича главна фокална равнина.Тук се намира фоточувствителната матрица или фоточувствителният филм.

Фокусното разстояние на лещата директно зависи от кривината на нейните изпъкнали повърхности: колкото по-малки са радиусите на кривина (т.е. колкото по-голяма е изпъкналостта) - толкова по-късо е фокусното разстояние.

Оптични устройства- устройства, в които излъчването на всяка област от спектъра(ултравиолетово, видимо, инфрачервено) преобразуван(предадени, отразени, пречупени, поляризирани).

Отдавайки почит на историческата традиция, оптичните устройства обикновено се наричат ​​устройства, които работят във видима светлина.

При първоначалната оценка на качеството на устройството, само основеннеговият характеристики:

• осветеност- способност за концентриране на радиация;
• разделителна способност- способност за разграничаване на съседни детайли на изображението;
• нараства- съотношението на размера на обекта и неговото изображение.
• За много устройства определящата характеристика е линия на видимост- ъгълът, под който може да се види от центъра на устройството крайни точкипредмет.

Разделителна способност (способност)- характеризира способността на оптичните инструменти да дават отделни изображения на две точки от обект, близки една до друга.

Нарича се най-малкото линейно или ъглово разстояние между две точки, от което се сливат образите имграница на линейна или ъглова разделителна способност.

Способността на устройството да прави разлика между две близки точки или линии се дължи на вълновата природа на светлината. Числената стойност на разделителната способност, например на система от лещи, зависи от способността на дизайнера да се справи с аберациите на лещите и внимателно да центрира тези лещи на една и съща оптична ос. Теоретичната граница на разделителната способност на две съседни изобразени точки се определя като равенството на разстоянието между техните центрове на радиуса на първия тъмен пръстен от тяхната дифракционна картина.

Нараства.Ако обект с дължина H е перпендикулярен на оптичната ос на системата и дължината на изображението му е h, тогава увеличението m се определя по формулата:

m = h/H .

Увеличението зависи от фокусните разстояния и взаимното разположение на лещите; има съответни формули за изразяване на тази зависимост.

Важна характеристика на уредите за визуално наблюдение е видимо увеличение М. Определя се от съотношението на размера на изображенията на обекта, които се образуват върху ретината при директно наблюдение на обекта и изследването му през апарата. Обикновено видимото увеличение на M ​​се изразява чрез съотношението M = tgb/tga, където a е ъгълът, под който наблюдателят вижда обекта с просто око, а b е ъгълът, под който окото на наблюдателя вижда обекта през инструмента.

Основната част на всяка оптична система е лещата. Лещите са част от почти всички оптични устройства.

Лещи – оптически прозрачно тяло, ограничено от две сферични повърхности.

Ако дебелината на самата леща е малка в сравнение с радиусите на кривина на сферичните повърхности, тогава лещата се нарича тънка.

Лещите са събиранеи разсейване. Събиращата леща е по-дебела в средата, отколкото в краищата, докато разсейващата леща, напротив, е по-тънка в средата.

Видове лещи:

• изпъкнал:
  • двойно изпъкнал (1)
  • плоско-изпъкнал (2)
  • вдлъбнато-изпъкнало (3)

• вдлъбнат:
  • двойно вдлъбнат (4)
  • плоско-вдлъбнат (5)
  • изпъкнал-вдлъбнат (6)

Основни обозначения в обектива:

Права линия, минаваща през центровете на кривина O 1 и O 2 на сферични повърхности, се нарича главната оптична ос на лещата.

В случай на тънки лещи можем приблизително да приемем, че главната оптична ос се пресича с лещата в една точка, която обикновено се нарича оптичен център на лещатаО. Светлинен лъч преминава през оптичния център на лещата, без да се отклонява от първоначалната си посока.

Оптичен център на лещатаТочката, през която светлинните лъчи преминават, без да бъдат пречупени от леща.

Главна оптична ос- права линия, минаваща през оптичния център на лещата, перпендикулярна на лещата.

Всички линии, минаващи през оптичния център, се наричат странични оптични оси.

Ако лъч от лъчи, успореден на главната оптична ос, е насочен към лещата, то след преминаване през лещата лъчите (или тяхното продължение) ще се съберат в една точка F, която се нарича основният фокус на обектива.При тънка лещаима два основни фокуса, разположени симетрично на главната оптична ос по отношение на лещата. Събиращите лещи имат реални фокуси, разсейващите лещи имат въображаеми фокуси.

Лъчи от лъчи, успоредни на една от страничните оптични оси, след преминаване през лещата, също се фокусират към точката F ", която се намира в пресечната точка на страничната ос с фокалната равнина Ф, т.е. равнината, перпендикулярна на главната оптична ос и преминаваща през главния фокус.

фокална равнина- права линия, перпендикулярна на главната оптична ос на лещата и минаваща през фокуса на лещата.

Разстоянието между оптичния център на лещата O и главния фокус F се нарича фокусно разстояние. Обозначава се със същата буква F.

Пречупване на успореден сноп лъчи в събирателна леща.

Пречупване на паралелен сноп лъчи в дивергентна леща.

Точките O 1 и O 2 са центровете на сферичните повърхности, O 1 O 2 е главната оптична ос, O е оптичният център, F е главният фокус, F" е вторичният фокус, OF" е вторичната оптична ос, F е фокалната равнина.

На чертежите тънките лещи са изобразени като сегмент със стрелки:

колекциониране: разсейване:

Основното свойство на лещите– способността да се дават изображения на обекти. Изображенията са директени с главата надолу, валидени въображаем, уголемении намалена.

Позицията на изображението и неговия характер могат да бъдат определени с помощта на геометрични конструкции. За да направите това, използвайте свойствата на някои стандартни лъчи, чийто ход е известен. Това са лъчи, преминаващи през оптичния център или един от фокусите на лещата, както и лъчи, успоредни на главната или една от второстепенните оптични оси. За изграждане на изображение в леща се използват всеки два от трите лъча:

Лъч, падащ върху леща, успореден на оптичната ос, след пречупване преминава през фокуса на лещата.

Лъч, преминаващ през оптичния център на лещата, не се пречупва.

Лъчът, преминаващ през фокуса на лещата след пречупване, преминава успоредно на оптичната ос.

Позицията на изображението и неговия характер (реален или въображаем) също могат да бъдат изчислени с помощта на формулата за тънка леща. Ако разстоянието от обекта до лещата се означи с d, а разстоянието от лещата до изображението се означи с f, тогава формулата за тънка леща може да се запише като:

Извиква се стойността D, реципрочната на фокусното разстояние оптична сила на лещата.

Единицата за оптична мощност е диоптър (dptr). Диоптър - оптична сила на леща с фокусно разстояние 1 m: 1 диоптър \u003d m -1

Обичайно е да се приписват фокусните разстояния на лещите определени знаци: за събирателна леща F > 0, за разсейваща леща F< 0.

Величините d и f също се подчиняват определено правилознаци:
d > 0 и f > 0 - за реални обекти (т.е. реални източници на светлина, а не продължение на лъчи, събиращи се зад лещата) и изображения;
д< 0 и f < 0 – для мнимых источников и изображений.

Тънките лещи имат редица недостатъци, които не позволяват получаването на висококачествени изображения. Изкривяванията, които възникват по време на формирането на изображението, се наричат аберации. Основните са сферичните и хроматичните аберации.

Сферична аберациясе проявява в това, че при широки светлинни лъчи лъчите, далеч от оптичната ос, я пресичат извън фокус. Формулата за тънка леща е валидна само за лъчи, близки до оптичната ос. Изображението на отдалечен точков източник, създадено от широк сноп лъчи, пречупен от леща, е замъглено.

Хроматичната аберациявъзниква поради факта, че индексът на пречупване на материала на лещата зависи от дължината на вълната на светлината λ. Това свойство на прозрачните среди се нарича дисперсия. Фокусното разстояние на обектива е различно за светлина с различни дължинивълни, което води до размазване на изображението при използване на немонохроматична светлина.

В съвременните оптични устройства не се използват тънки лещи, а сложни системи с много лещи, в които различни аберации могат да бъдат приблизително елиминирани.

Формирането на реално изображение на обект от събирателна леща се използва в много оптични устройства, като камера, проектор и др.

Ако искате да създадете висококачествено оптично устройство, трябва да оптимизирате набора от основните му характеристики - светимост, разделителна способност и увеличение. Не можете да направите добър телескоп, например, като постигнете само страхотно видимо увеличениеи оставяйки малък отвор (бленда). Ще има лоша резолюция, тъй като зависи пряко от блендата. Конструкциите на оптичните устройства са много разнообразни, а характеристиките им са продиктувани от предназначението на конкретните устройства. Но когато преобразувате всяка проектирана оптична система в готово оптико-механично устройство, е необходимо да поставите всички оптични елементи в строго съответствие с приетата схема, да ги фиксирате сигурно, да осигурите точно регулиране на позицията на движещите се части и да поставите диафрагми, за да елиминирате нежелан фон от разсеяна радиация. Често е необходимо да се поддържат зададените стойности на температурата и влажността вътре в устройството, да се сведат до минимум вибрациите, да се нормализира разпределението на теглото, да се осигури отстраняване на топлината от лампи и друго спомагателно електрическо оборудване. Приложена стойност външен видинструмент и лекота на използване.

Микроскоп, лупа, лупа.

Ако погледнем през положителна (събираща) леща върху обект, разположен зад лещата не по-далеч от неговата фокусна точка, тогава виждаме уголемен въображаем образпредмет. Такава леща е обикновен микроскоп и се нарича лупа или лупа.

От оптичния дизайн можете да определите размера на увеличеното изображение.

Когато окото е настроено на паралелен лъч светлина (изображението на обекта е на неопределено разстояние, което означава, че обектът е разположен във фокалната равнина на лещата), видимото увеличение M може да се определи от връзката: M = tgb /tga = (H/f)/( H/v) = v/f, където f е фокусното разстояние на лещата, v е разстоянието най-добра визия, т.е. най-късото разстояниена които окото вижда добре с нормална акомодация. M се увеличава с единица, когато окото се настрои така, че виртуалното изображение на обекта да е на най-доброто разстояние за виждане. Способността за настаняване на всички хора е различна, с възрастта те се влошават; 25 см се счита за разстоянието на най-добро зрение на нормално око. В зрителното поле на една положителна леща, с отдалечаване от оста й, остротата на изображението се влошава бързо поради напречни аберации. Въпреки че има лупи с увеличение 20 пъти, тяхното типично увеличение е от 5 до 10. Увеличението на съставен микроскоп, обикновено наричан просто микроскоп, достига 2000 пъти.

Телескоп.

Телескопът увеличава видимия размер на отдалечени обекти. Схемата на най-простия телескоп включва две положителни лещи.

Лъчите от далечен обект, успоредни на оста на телескопа (лъчи a и c на диаграмата), се събират в задния фокус на първата леща (обектива). Втората леща (окуляр) се отдалечава от фокалната равнина на лещата с нейното фокусно разстояние и лъчите a и c излизат от нея отново успоредно на оста на системата. Някой лъч b, идващ от различни точки на обекта, от който идват лъчите a и c, пада под ъгъл a спрямо оста на телескопа, преминава през предния фокус на обектива и след като върви успоредно на оста на системата . Окулярът го насочва към задния му фокус под ъгъл b. Тъй като разстоянието от предния фокус на лещата до окото на наблюдателя е незначително в сравнение с разстоянието до обекта, тогава от диаграмата можете да получите израз за видимото увеличение M на телескопа: M = -tgb /tga = - F/f" (или F/f). Отрицателният знак показва, че изображението е обърнато. В астрономическите телескопи това остава така; в телескопите за наблюдение на земни обекти се използва въртяща се система за гледане на нормални, не обърнати изображения. Обръщането системата може да включва допълнителни лещи или, както при биноклите, призми.

Бинокъл.

Бинокулярният телескоп, обикновено наричан бинокъл, е компактен инструмент за наблюдение с двете очи едновременно; увеличението му обикновено е 6 до 10 пъти. Бинокълът използва чифт въртящи се системи (най-често - Porro), всяка от които включва две правоъгълни призми (с основа на 45 °), ориентирани към правоъгълните лица.

За да се получи голямо увеличение в широко зрително поле без аберации на обектива и следователно значително зрително поле (6-9°), бинокълът изисква много висококачествен окуляр, по-добър от телескоп с тясно зрително поле. Окулярът на бинокъла осигурява фокусиране на изображението, а с корекция на зрението - скалата му е отбелязана в диоптри. Освен това при бинокъла позицията на окуляра се настройва спрямо разстоянието между очите на наблюдателя. Обикновено биноклите са етикетирани според тяхното увеличение (кратно) и диаметър на лещата (в милиметри), като 8*40 или 7*50.

Оптичен мерник.

Всеки телескоп за наземни наблюдения може да се използва като оптичен мерник, ако във всяка равнина на неговото изображение се прилагат ясни маркировки (мрежи, маркировки), съответстващи на дадената цел. Типичният дизайн на много военни оптични инсталации е такъв, че обективът на телескопа гледа открито към целта, а окулярът е в капак. Такава схема изисква прекъсване на оптичната ос на мерника и използване на призми за нейното изместване; същите призми превръщат обърнатото изображение в право. Системи с изместване на оптичната ос се наричат ​​перископични. Обикновено оптичният мерник се изчислява така, че зеницата на изхода му да се отстрани от последната повърхност на окуляра на достатъчно разстояние, за да предпази окото на стрелеца от удар в ръба на телескопа при откат на оръжието.

Далекомер.

Оптичните далекомери, които измерват разстоянието до обектите, са два вида: монокулярни и стереоскопични. Въпреки че се различават по структурни детайли, основната част от оптичната схема е една и съща за тях и принципът на действие е един и същ: неизвестната страна на триъгълника се определя от известната страна (основа) и два известни ъгъла на триъгълника . Два телескопа, ориентирани успоредно, разделени от разстояние b (база), изграждат изображения на един и същи отдалечен обект, така че да изглежда, че се наблюдава от тях в различни посоки(размерът на мишената може да служи и като основа). Ако с някои приемливи оптично устройствоза комбиниране на полетата на изображението на двата телескопа, така че да могат да се гледат едновременно, се оказва, че съответните изображения на обекта са пространствено разделени. Далекомерите съществуват не само с пълно припокриване на полето, но и с половин полета: горната половина на пространството на изображението на един телескоп се слива с долната половина на пространството на изображението на друг. В такива устройства с помощта на подходящ оптичен елемент пространствено разделените изображения се комбинират и измерената стойност се определя от относителното изместване на изображенията. Често призма или комбинация от призми служи като срязващ елемент.

МОНОКУЛЯРЕН ДАЛЕКОМЕР. A - правоъгълна призма; B - пентапризми; C - обективи на лещи; D - окуляр; E - око; P1 и P2 - неподвижни призми; P3 - подвижна призма; I 1 и I 2 - изображения на половини на зрителното поле

В схемата на монокулярния далекомер, показана на фигурата, тази функция се изпълнява от призмата P3; той е свързан със скала, калибрирана в измерените разстояния до обекта. Пентапризмите B се използват като светлоотражатели под прав ъгъл, тъй като такива призми винаги отклоняват падащия светлинен лъч с 90 °, независимо колко точно са монтирани в хоризонталната равнина на инструмента. В стереоскопичния далекомер наблюдателят вижда изображения, създадени от два телескопа, с двете очи едновременно. Основата на такъв далекомер позволява на наблюдателя да възприема позицията на обекта в обем, на определена дълбочина в пространството. Всеки телескоп има решетка с маркировки, съответстващи на стойностите на диапазона. Наблюдателят вижда скала от разстояния, която отива дълбоко в изобразеното пространство, и определя отдалечеността на обекта, използвайки я.

Осветление и прожекционни устройства. Прожектори.

В оптичния дизайн на прожектора източникът на светлина, като например кратер с електрическа дъга, е във фокуса на параболичен рефлектор. Лъчите, излизащи от всички точки на дъгата, се отразяват от параболичното огледало почти успоредно един на друг. Снопът от лъчи се разминава малко, защото източникът не е светеща точка, а обем с краен размер.

Диаскоп.

Оптичната схема на това устройство, предназначено за гледане на прозрачно фолио и прозрачни цветни рамки, включва две системи от лещи: кондензатор и проекционна леща. Кондензаторът осветява равномерно прозрачния оригинал, насочвайки лъчите в прожекционната леща, която изгражда изображението на оригинала върху екрана. Прожекционният обектив осигурява фокусиране и смяна на лещите, което ви позволява да променяте разстоянието до екрана и размера на изображението върху него. Оптичната схема на филмовия проектор е същата.

ДИАСКОПНА СХЕМА. А - транспаранти; B - кондензатор на лещи; C - лещи на проекционния обектив; D - екран; S - източник на светлина

Спектрални инструменти.

Основният елемент на спектралното устройство може да бъде дисперсионна призма или дифракционна решетка. В такова устройство светлината първо се колимира, т.е. се формира в сноп от успоредни лъчи, след което се разлага на спектър и накрая изображението на входния процеп на устройството се фокусира върху неговия изходен процеп за всяка дължина на вълната от спектъра.

Спектрометър.

В това повече или по-малко универсално лабораторно устройство системите за колимиране и фокусиране могат да се въртят спрямо центъра на масата, върху която се намира елементът, който разлага светлината в спектър. Устройството има скали за отчитане на ъглите на завъртане, например на дисперсионна призма, и ъглите на отклонение след нея на различни цветови компоненти на спектъра. Въз основа на резултатите от такива показания например се измерват показателите на пречупване на прозрачни твърди тела.

Спектрограф.

Така се нарича устройство, при което полученият спектър или част от него се записва върху снимков материал. Можете да получите спектър от призма, направена от кварц (обхват 210-800 nm), стъкло (360-2500 nm) или каменна сол(2500-16000 nm). В тези области на спектъра, където призмите слабо абсорбират светлината, изображенията на спектралните линии в спектрографа са ярки. В спектрографите с дифракционни решетки последните изпълняват две функции: разлагат излъчването на спектър и фокусират цветните компоненти върху фотоматериала; такива устройства се използват и в ултравиолетовата област.

Камерае затворена светлонепроницаема камера. Изображението на сниманите обекти се създава върху фотолента чрез система от лещи, която се нарича леща. Специален затвор ви позволява да отворите обектива по време на експозиция.

Характеристика на работата на камерата е, че върху плосък фотографски филм трябва да се получат достатъчно ясни изображения на обекти, разположени на различни разстояния.

В равнината на филма резки са само изображения на обекти, които са на определено разстояние. Фокусирането се постига чрез преместване на обектива спрямо филма. Изображенията на точки, които не лежат в острата равнина на насочване, са замъглени под формата на кръгове на разсейване. Размерът d на тези кръгове може да бъде намален чрез спиране на лещата, т.е. намаляване на съотношението на блендата a / F. Това води до увеличаване на дълбочината на полето.

Обективът на съвременната камера се състои от няколко лещи, комбинирани в оптични системи (например оптичната схема Tessar). Броят на лещите в лещите на най-простите камери е от една до три, а в съвременните скъпи камери има до десет или дори осемнадесет.

Оптичен дизайн Tessar

Оптичните системи в обектива могат да бъдат от две до пет. Почти всички оптични схемиТе са подредени и работят по един и същи начин - фокусират светлинните лъчи, преминаващи през лещите, върху фоточувствителна матрица.

Качеството на изображението в картината зависи само от обектива, дали снимката ще бъде рязка, дали формите и линиите няма да се изкривяват в снимката, дали ще предава добре цветовете - всичко това зависи от свойствата на обектива , следователно обективът е един от най важни елементимодерен фотоапарат.

Лещите на обективите се изработват от специални видове оптично стъкло или оптична пластмаса. Изработката на лещи е една от най скъпи операциисъздаване на камера. При сравняване на стъклени и пластмасови лещи си струва да се отбележи, че пластмасовите лещи са по-евтини и по-леки. В днешно време повечето евтини обективи за любителски компактни фотоапарати са направени от пластмаса. Но такива лещи са склонни към надраскване и не са толкова издръжливи, след около две или три години те стават мътни, а качеството на снимките оставя много да се желае. Оптиката на камерата е по-скъпа от оптично стъкло.

Днес повечето обективи на компактни камери са направени от пластмаса.

Помежду си лещите на обектива са залепени или свързани чрез много прецизно изчислени метални рамки. Залепването на лещи е много по-често срещано от металните рамки.

прожекционен апаратпредназначени за широкомащабни изображения. Обективът O на проектора фокусира изображението на плосък обект (слайд D) върху отдалечен екран E. Системата от лещи K, наречена кондензатор, е предназначена да концентрира светлината на източника S върху слайда. Екран E създава наистина уголемен обърнат образ. Увеличението на прожекционния апарат може да се променя чрез приближаване или намаляване на екрана E, докато се променя разстоянието между прозрачното фолио D и лещата O.

Лещинарича прозрачно тяло, ограничено от две криволинейни (най-често сферични) или извити и плоски повърхности. Лещите се делят на изпъкнали и вдлъбнати.

Лещите, при които средата е по-дебела от ръбовете, се наричат ​​изпъкнали. Лещите, които са по-тънки в средата от ръбовете, се наричат ​​вдлъбнати лещи.

Ако индексът на пречупване на лещата е по-голям от индекса на пречупване околен свят, тогава в изпъкнала леща успореден лъч от лъчи след пречупване се превръща в низходящ лъч. Такива лещи се наричат събиране(Фиг. 89, а). Ако в една леща паралелният лъч се трансформира в разминаващ се лъч, тогава тези лещи се наричат ​​разсейване(Фиг. 89, b). Вдлъбнати лещи, при които външната среда е въздух, са разсейващи.

O 1 , O 2 - геометрични центрове на сферични повърхности, ограничаващи лещата. Направо O 1 O 2свързваща центровете на тези сферични повърхности се нарича главна оптична ос. Обикновено разглеждаме тънки лещи, чиято дебелина е малка в сравнение с радиусите на кривината на нейните повърхности, така че точките C 1 и C 2 (върховете на сегмента) лежат близо един до друг, те могат да бъдат заменени с една точка O, наречена оптичен център на лещата (виж Фиг. 89а). Всяка права линия, прекарана през оптичния център на лещата под ъгъл спрямо главната оптична ос, се нарича вторична оптична ос(A 1 A 2 B 1 B 2).

Ако лъч от лъчи, успореден на главната оптична ос, попадне върху събирателна леща, то след пречупване в лещата те се събират в една точка F, която се нарича основният фокус на обектива(Фиг. 90, а).

Във фокуса на разсейващата леща се пресичат продълженията на лъчите, които преди пречупването са били успоредни на главната му оптична ос (фиг. 90, б). Фокусът на разсейващата леща е въображаем. Има два основни фокуса; те са разположени на главната оптична ос на същото разстояние от оптичния център на лещата от противоположните страни.

Реципрочната стойност на фокусното разстояние на лещата се нарича негова оптична мощност. оптична мощностлещи D.

Единицата за оптична сила на леща в SI е диоптърът. Диоптърът е оптичната сила на леща с фокусно разстояние 1 m.

Оптичната сила на събирателната леща е положителна, а на разсейващата леща е отрицателна.

Равнината, минаваща през главния фокус на лещата перпендикулярно на главната оптична ос, се нарича огнищна(фиг. 91). Сноп от лъчи, падащ върху леща, успоредна на някаква вторична оптична ос, се събира в точката на пресичане на тази ос с фокалната равнина.

Построяване на образа на точка и предмет в събирателна леща.

За да се изгради изображение в леща, е достатъчно да се вземат два лъча от всяка точка на обекта и да се намери тяхната пресечна точка след пречупване в лещата. Удобно е да се използват лъчи, чийто път след пречупване в лещата е известен. И така, лъч, падащ върху леща, успореден на главната оптична ос, след пречупване в лещата преминава през главния фокус; лъчът, преминаващ през оптичния център на лещата, не се пречупва; лъчът, преминаващ през главния фокус на лещата, след пречупване върви успоредно на главната оптична ос; лъч, падащ върху лещата успоредно на вторичната оптична ос, след пречупване в лещата преминава през точката на пресичане на оста с фокалната равнина.

Нека светещата точка S лежи на главната оптична ос.

Избираме произволен лъч и начертаваме странична оптична ос, успоредна на него (фиг. 92). Избраният лъч ще премине през точката на пресичане на вторичната оптична ос с фокалната равнина след пречупване в лещата. Точката на пресичане на този лъч с главната оптична ос (вторият лъч) ще даде реален образ на точката S - S`.

Помислете за конструкцията на изображение на обект в изпъкнала леща.

Нека точката лежи извън главната оптична ос, тогава изображението S` може да бъде конструирано с помощта на всеки два лъча, показани на фиг. 93.

Ако обектът е разположен в безкрайност, тогава лъчите ще се пресичат във фокуса (фиг. 94).

Ако обектът се намира зад двойната фокусна точка, тогава изображението ще се окаже реално, обратно, намалено (камера, око) (фиг. 95).

Обикновени лещиИма два различни вида: положителни и отрицателни. Тези два типа са известни също като събиращи и разсейващи се, тъй като положителните лещи събират светлина и образуват изображение на източника, докато отрицателните лещи разпръскват светлината.

Характеристики на прости лещи

В зависимост от формите има събиране(положително) и разсейване(негативни) лещи. Групата на събирателните лещи обикновено включва лещи, при които средата е по-дебела от краищата им, а групата на разсейващите лещи са лещи, чиито краища са по-дебели от средата. Трябва да се отбележи, че това е вярно само ако индексът на пречупване на материала на лещата е по-голям от този на околната среда. Ако индексът на пречупване на лещата е по-малък, ситуацията ще бъде обратна. Например, въздушно мехурче във вода е двойно изпъкнала разсейваща леща.

Лещите се характеризират, като правило, с тяхната оптична сила (измерена в диоптри) или фокусно разстояние.

За изграждането на оптични устройства с коригирана оптична аберация (предимно хроматична аберация, дължаща се на светлинна дисперсия, ахромати и апохромати), други свойства на лещите и техните материали също са важни, например индексът на пречупване, коефициентът на дисперсия и пропускливостта на материала в избрания оптичен диапазон.

Понякога оптичните системи за лещи/лещи (рефрактори) са специално проектирани за използване в среди с относително висок индекс на пречупване (вижте потапящ микроскоп, потапящи течности).

Видове лещи: Събиране: 1 - двойно изпъкнал 2 - плоско-изпъкнал 3 - вдлъбнат-изпъкнал (положителен (изпъкнал) менискус) Разпръскване: 4 - двойновдлъбнат 5 - плоско-вдлъбнат 6 - изпъкнал-вдлъбнат (отрицателен (вдлъбнат) менискус)

Използване на леща за промяна на формата на вълновия фронт. Тук плоският вълнов фронт става сферичен, когато преминава през лещата

Изпъкнало-вдлъбната леща се нарича менискуси може да бъде колективен (удебелява се към средата), разпръскващ (удебелява се към краищата) или телескопичен (фокусното разстояние е безкрайност). Така например лещите на очилата за късогледи обикновено са отрицателни мениски.

Противно на общоприетото погрешно схващане, оптичната сила на менискус с еднакви радиуси не е нула, а положителна и зависи от индекса на пречупване на стъклото и от дебелината на лещата. Менискус, центровете на кривината на чиито повърхности са в една точка, се нарича концентрична леща (оптичната сила винаги е отрицателна).

Отличително свойство на събирателната леща е способността да събира лъчи, падащи върху нейната повърхност в една точка, разположена от другата страна на лещата.

Основните елементи на лещата: NN - оптична ос - права линия, минаваща през центровете на сферични повърхности, ограничаващи лещата; O - оптичен център - точка, която при двойно изпъкнали или двойно вдлъбнати (с еднакви повърхностни радиуси) лещи се намира на оптичната ос вътре в лещата (в центъра й). Забележка. Пътят на лъчите е показан като в идеализирана (тънка) леща, без да се посочва пречупване на реалната граница между медиите. Освен това е показано малко преувеличено изображение на двойноизпъкнала леща.

Ако светеща точка S се постави на известно разстояние пред събирателната леща, тогава светлинен лъч, насочен по оста, ще премине през лещата, без да се пречупва, а лъчите, които не преминават през центъра, ще се пречупват към оптичното ос и се пресичат върху нея в някаква точка F, която и ще бъде образът на точка S. Тази точка се нарича спрегнат фокус или просто фокус.

Ако върху лещата попадне светлина от много далечен източник, чиито лъчи могат да се представят като движещи се в успореден лъч, то при излизане от лещата лъчите ще се пречупят под по-голям ъгъл и точката F ще се премести по оптичния ос по-близо до обектива. При тези условия се нарича точката на пресичане на лъчите, излизащи от лещата фокус F', а разстоянието от центъра на обектива до фокуса е фокусното разстояние.

Лъчите, падащи върху разсейващата леща, при излизане от нея ще се пречупят към краищата на лещата, тоест ще се разпръснат. Ако тези лъчи продължат в обратна посока, както е показано на фигурата с пунктирана линия, тогава те ще се съберат в една точка F, която ще бъде фокустози обектив. Този фокус ще въображаем.

Видим фокус на разсейваща леща

Казаното за фокуса върху оптичната ос се отнася в еднаква степен и за случаите, когато изображението на точка е върху наклонена линия, минаваща през центъра на лещата под ъгъл спрямо оптичната ос. Равнината, перпендикулярна на оптичната ос и разположена във фокуса на лещата, се нарича фокална равнина.

Събиращите лещи могат да се насочват към обекта от всяка страна, в резултат на което лъчите, преминаващи през лещата, могат да се събират от едната или другата му страна. Така лещата има два фокуса - отпреди отзад. Те са разположени по оптичната ос от двете страни на лещата на фокусно разстояние от основните точки на лещата.

а) Видове лещи.

Оптичните лещи, които са по-дебели в средата, отколкото в ръба, се наричат ​​събирателни лещи; напротив, ако ръбът е по-дебел от средата, тогава лещите действат като

разсейване. Според формата на напречното сечение биват: двойноизпъкнали, плоскоизпъкнали, вдлъбнато-изпъкнали събирателни лещи; двойновдлъбнати, плоско-вдлъбнати, изпъкнало-вдлъбнати разсейващи лещи.

Тънките лещи в първото приближение могат да се разглеждат като две подредени тънки призми (фиг.217, 218). Ходът на лъчите може да се проследи върху шайбата Gartl.

събирателна лещаконцентрира успоредни лъчи в една точка зад лещата, във фокуса (фиг. 219)

разсейваща лещапревръща успореден сноп от лъчи в разминаващ се сноп, който сякаш излиза извън фокус (фиг. 220).

Видове лещи

Отражението и пречупването на светлината се използва за промяна на посоката на лъчите или, както се казва, за управление на светлинните лъчи. Това е основата за създаването на специални оптични инструменти, като например лупа, телескоп, микроскоп, фотоапарат и др. Главна частповечето от тях са лещи. Например, очилата са лещи, затворени в рамка. Този пример вече показва колко важно е използването на лещи за човек.

Например, на първата снимка, колбата е такава, каквато я виждаме в живота,

а на втория, ако го гледаме през лупа (същата леща).

В оптиката най-често се използват сферични лещи. Такива лещи са тела, направени от оптично или органично стъкло, ограничени от две сферични повърхности.

Лещите са прозрачни тела, ограничени от двете страни с извити повърхности (изпъкнали или вдлъбнати). Правата AB, минаваща през центровете C1 и C2 на сферичните повърхности, ограничаващи лещата, се нарича оптична ос.

Тази фигура показва разрези на две лещи с центрове в точка O. Първата леща, показана на фигурата, се нарича изпъкнала, втората се нарича вдлъбната. Точката O, разположена на оптичната ос в центъра на тези лещи, се нарича оптичен център на лещата.

Една от двете гранични повърхности може да бъде плоска.

дясно - вдлъбнато.

Ще разгледаме само сферични лещи, тоест лещи, ограничени от две сферични (сферични) повърхности.
Лещите, ограничени от две изпъкнали повърхности, се наричат ​​двойно изпъкнали; лещите, ограничени от две вдлъбнати повърхности, се наричат ​​биконкавни.

Като насочим лъч от лъчи, успореден на главната оптична ос на лещата към изпъкнала леща, ще видим, че след пречупване в лещата, тези лъчи се събират в точка, наречена основен фокус на лещата

Фигура 63 обяснява действието на събирателните и разсейващите лещи. Лещите могат да бъдат представени като голям брой призми. Тъй като призмите отклоняват лъчите, както е показано на фигурите, ясно е, че лещите с издутина в средата събират лъчи, а лещите с изпъкналост в краищата ги разсейват. Средата на лещата действа като плоскопаралелна плоча: тя не отклонява лъчите нито в събирателна, нито в разсейваща леща

На чертежите събирателните лещи са обозначени, както е показано на фигурата вляво, а разсейващите - на фигурата вдясно.

Светлината е електромагнитно излъчване, възприемано от окото чрез зрително усещане.

• Законът за праволинейното разпространение на светлината: светлината в хомогенна среда се разпространява по права линия
• Източник на светлина, чиито размери са малки в сравнение с разстоянието от екрана, се нарича точков източник на светлина.

• Падащият и отразеният лъч лежат в една и съща равнина с перпендикуляра, възстановен към отразяващата повърхност в точката на падане. Ъгъл на падане равен на ъгълаотражения.
• Ако точковият обект и неговото отражение се сменят, пътят на лъчите няма да се промени, а само посоката им ще се промени.

Зейна отразяваща повърхност се нарича плоско огледало, ако лъч от паралелни лъчи, падащ върху него, остава успореден след отражението.

• Леща, чиято дебелина е много по-малка от радиусите на кривината на нейните повърхности, се нарича тънка леща.
• Леща, която преобразува сноп от успоредни лъчи в събирателен и го събира в една точка, се нарича събирателна леща.
• Леща, която преобразува сноп от успоредни лъчи в дивергентни - дивергентни.

За събирателна леща

За разсейваща леща:

При всички позиции на обекта лещата дава намалено, въображаемо, директно изображение, разположено от същата страна на лещата като обекта.

Свойства на очите:

• настаняване (постига се чрез промяна на формата на лещите);
• адаптация (адаптиране към различни условияосветление);
• зрителна острота (способност за отделно разграничаване на две близки точки);
• зрително поле (пространството, наблюдавано, когато очите се движат, но главата е неподвижна)

зрителни дефекти

миопия (корекция - разсейваща леща);

далекогледство (корекция - събирателна леща).

Тънката леща е най-простата оптична система. Простите тънки лещи се използват главно под формата на очила за очила. В допълнение, използването на леща като лупа е добре известно.

Действието на много оптични устройства - проекционна лампа, камера и други устройства - може схематично да се оприличи на действието на тънки лещи. Тънката леща обаче дава добро изображение само в това отношение рядък случай, когато е възможно да се ограничим до тесен едноцветен лъч, идващ от източника по главната оптична ос или под голям ъгъл спрямо нея. В повечето практически задачи, където тези условия не са изпълнени, изображението, създадено от тънка леща, е доста несъвършено.
Поради това в повечето случаи те прибягват до изграждането на по-сложни оптични системи с голямо числопречупващи повърхности и не е ограничено от изискването за близост на тези повърхности (изискване, на което тънката леща отговаря). [ четири ]

4.2 Фотографски апарати. Оптични устройства.

всичко оптични инструментимогат да бъдат разделени на две групи:

1) устройства, с помощта на които се получават оптични изображения на екрана. Те включват прожекционни устройства, фотоапарати, филмови камери и др.

2) устройства, които работят само във връзка с човешки очи и не формират изображения на екрана. Те включват лупа, микроскоп и различни инструменти от телескопна система. Такива устройства се наричат ​​визуални.

Камера.