Как работают линзы. Как работают контактные линзы

Главным применением законов преломления света являются линзы.

Что такое линза?

Само слово «линза» означает «чечевица».

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

Рассмотрим, как работает линза на принципе преломления света.

Рис. 1. Двояковыпуклая линза

Линза может быть разбита на несколько отдельных частей, каждая из которых представляет собой стеклянную призму. Верхнюю часть линзы представим в виде трехгранной призмы: падая на нее, свет преломляется и смещается в сторону основания. Все следующие части линзы представим как трапеции, в которых луч света проходит внутрь и снова выходит, смещаясь в направлении (рис. 1).

Виды линз (рис. 2)

Рис. 2. Виды линз

Собирающие линзы

1 - двояковыпуклая линза

2 - плоско-выпуклая линза

3 - выпукло-вогнутая линза

Рассеивающие линзы

4 - двояковогнутая линза

5 - плоско-вогнутая линза

6 - выпукло-вогнутая линза

Обозначение линз

Тонкая линза - это линза, толщина которой много меньше радиусов, ограничивающих ее поверхность (рис. 3).

Рис. 3. Тонкая линза

Видим, что радиус одной сферической поверхности и другой сферической поверхности больше, чем толщина линзы α.

Линза преломляет свет определенным образом. Если линза собирающая, то лучи собираются в одной точке. Если линза рассеивающая, то лучи рассеиваются.

Для обозначения различных линз введен специальный рисунок (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение линз

1 - схематическое изображение собирающей линзы

2 - схематичное изображение рассеивающей линзы

Точки и линии линзы:

1. Оптический центр линзы

2. Главная оптическая ось линзы (рис. 5)

3. Фокус линзы

4. Оптическая сила линзы

Рис. 5. Главная оптическая ось и оптический центр линзы

Главная оптическая ось - воображаемая линия, которая проходит через центр линзы и перпендикулярна плоскости линзы. Точка О является оптическим центром линзы. Все лучи, проходящие через эту точку, не преломляются.

Другая важная точка линзы - фокус (рис. 6). Он располагается на главной оптической оси линзы. В точке фокуса пересекаются все лучи, которые падают на линзу параллельно главной оптической оси.

Рис. 6. Фокус линзы

У каждой линзы два фокуса. Мы будем рассматривать равнофокусную линзу, то есть когда фокусы стоят от линзы на одинаковом расстоянии.

Расстояние между центром линзы и фокусом называется фокусным расстоянием (отрезок на рисунке). Второй фокус расположен с обратной стороны линзы.

Следующая характеристика линзы - это оптическая сила линзы.

Оптическая сила линзы (обозначается ) - это способность линзы преломлять лучи. Оптическая сила линзы - обратное значение фокусного расстояния:

Фокусное расстояние измеряется в единицах длины.

За единицу оптической силы выбрана такая единица измерения, при которой фокусное расстояние равно одному метру. Такая единица оптической силы называется диоптрия.

У собирающих линз впереди оптической силы ставится знак «+», а если линза рассеивающая, то перед оптической силой ставится знак «-».

Единица диоптрия записывается следующим образом:

Для каждой линзы существует еще одно важное понятие. Это мнимый фокус и действительный фокус.

Действительный фокус - это такой фокус, который образован лучами, преломившимися в линзе.

Мнимый фокус - это фокус, который образуется продолжениями лучей, прошедших через линзу (рис. 7).

Мнимый фокус, как правило, у рассеивающей линзы.

Рис. 7. Мнимый фокус линзы

Вывод

На данном уроке вы узнали, что такое линза, какие бывают линзы. Познакомились с определением тонкой линзы и главными характеристиками линз и узнали, что такое мнимый фокус, действительный фокус, и в чем их различие.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Tak-to-ent.net ().
2. Tepka.ru ().
3. Megaresheba.ru ().

Домашнее задание

1. Задание 1. Определите оптическую силу собирающей линзы с фокусным расстоянием 2 метра.
2. Задание 2. Каково фокусное расстояние линзы, оптическая сила которой равна 5 диоптрий?
3. Задание 3. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу?

1) Изображение может быть мнимое или действительное . Если изображение образовано самими лучами (т.е. в данную точку поступает световая энергия), то оно действительное, если же не самими лучами, а их продолжениями, то говорят, что изображение мнимое (световая энергия не поступает в данную точку).

2) Если верх и низ изображения ориентированы аналогично самому предмету, то изображение называется прямым . Если же изображение перевернуто, то его называют обратным (перевернутым) .

3) Изображение характеризуется приобретаемыми размерами: увеличенное, уменьшенное, равное.

Изображение в плоском зеркале

Изображение в плоском зеркале является мнимым, прямым, равным по размерам предмету, находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

Линзы

Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейными поверхностями.

Различают шесть типов линз.

Собирающие: 1 - двояковыпуклая, 2 - плоско-выпуклая, 3 - выпукло-вогнутая. Рассеивающие: 4 - двояковогнутая; 5 - плосковогнутая; 6 - вогнуто-выпуклая.

Собирающая линза

Рассеивающая линза

Характеристики линз.

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);

F - главный фокус линзы - точка, в которую собирается пучок света, распространяющийся параллельно главной оптической оси;

OF - фокусное расстояние;

N"N" - побочная ось линзы;

F" - побочный фокус;

Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси.

Ход лучей в линзе.

Луч, идущий через оптический центр линзы (О), не испытывает преломления.

Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через главный фокус (F).

Луч, проходящий через главный фокус (F), после преломления идет параллельно главной оптической оси.

Луч, идущий параллельно побочной оптической оси (N"N"), проходит через побочный фокус (F").

Формула линзы.

При использовании формулы линзы следует верно использовать правило знаков: +F - линза собирающая; -F - линза рассеивающая; +d - предмет действительный; -d - предмет мнимый; +f - изображение предмета действительное; -f - изображение предмета мнимое.

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется оптической силой .

Поперечное увеличение - отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета.

Современные оптические устройства используют системы линз для улучшения качества изображений. Оптическая сила системы линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил.

1 - роговица; 2 - радужная оболочка; 3 - белочная оболочка (склера); 4 - сосудистая оболочка; 5 - пигментный слой; 6 - желтое пятно; 7 - зрительный нерв; 8 - сетчатка; 9 - мышца; 10 - связки хрусталика; 11 - хрусталик; 12 - зрачок.

Хрусталик является линзоподобным телом и осуществляет настройку нашего зрения на различные расстояния. В оптической системе глаза фокусировка изображения на сетчатку называется аккомодацией . У человека аккомодация происходит за счет увеличения выпуклости хрусталика, осуществляемого с помощью мышц. При этом изменяется оптическая сила глаза.

Изображение предмета, попадающее на сетчатку глаза, является действительным, уменьшенным, перевернутым.

Расстояние наилучшего зрения должно быть около 25 см, а предел зрения (дальняя точка) находится на бесконечности.

Близорукость (миопия) - дефект зрения, при котором глаз видит расплывчато, а изображение фокусируется перед сетчаткой.

Дальнозоркость (гиперопия) - дефект зрения, при котором изображение фокусируется за сетчаткой.

26-10-2013, 23:06

Описание

Каждому, кто подумывает о контактных линзах, приходят в голову два главных вопроса: «А смогу ли я их носить?» и «Не будет ли мне больно?» Кроме того, всегда присутствует понятный страх перед попаданием чего-то постороннего в глаз.

Легче всего ответить на вопрос, не будет ли больно. Вам наверняка приходилось доставать соринку из глаза, и по аналогии вы, возможно, думаете, что более крупный предмет, каким является контактная линза, причинит вам большую боль. Однако чувствительность роговицы (передняя поверхность глаза, на которую и одевается контактная линза) очень избирательна. Роговица сверхчувствительна к мельчайшим касающимся ее частицам, чего нельзя сказать о более крупных. В это довольно трудно поверить, но только до тех пор, пока вы не поймете, что имеется крупный предмет, который касается вашей роговицы несколько тысяч раз в день, - это ваше веко. Когда контактная линза одета правильно, ощущать ее вы будете не больше, чем собственное веко.

Из всего этого отнюдь не следует, что при первой примерке контактной линзы вы ничего не почувствуете - наоборот, у вас будет ясное ощущение того, что при каждом моргании внутренняя поверхность века трется о кромку линзы (причем это ощущение исходит от века, а не от роговицы). Если стоят мягкие контактные линзы, то это ощущение почти незаметно, и даже в первый раз вам будет вполне удобно.

Что касается первого вопроса - сможете ли вы носить контактные линзы, то ответ на него обусловлен способностью роговицы адаптироваться к меньшему поступлению кислорода и изменению метаболизма. Это зависит от особенностей ваших глаз, выписанного рецепта и, самое главное, квалификации врача. Короче говоря, большинство людей, если у них есть такое желание, могут носить контактные линзы - при условии, что они правильно подобраны и установлены.

В последние двадцать лет, особенно после появления мягких контактных линз, использование их резко возросло. Их носят миллионы людей, а несколько миллионов других купили их и отложили в ящик туалетного столика. Этот «неуспех» вызван несколькими причинами, главными из которых являются неправильная и поспешная установка, которая впоследствии усугубляется еще более неправильным уходом.

Многих полупрофессионалов и псевдоспециалистов к работе с контактными линзами приводит стремление подзаработать без особого труда. В газетах, по телевидению, в различных справочниках появляется огромное количество рекламных объявлений, предлагающих установку контактных линз. По нашему опыту, наиболее падки на них подростки и молодые девушки - они не хотят выглядеть «очкариками», но в то же время у них не хватает мудрости принять решение на основе предварительно накопленной информации. Конечно, в этом играет свою роль и появление контактных линз, меняющих цвет глаз. К сожалению, хорошо составленная реклама всегда побеждает опыт, знания и советы специалистов по контактным линзам. Такие специалисты просто могут затеряться среди посредственных псевдоэкспертов, так как мягкие контактные линзы с самого начала носятся без проблем, и покупатель не может сам оценить правильность их установки и соответствие размера. Будьте особенно осторожны по отношению к различным «распродажам» и «скидкам» относительно контактных линз. Почему? Потому что вы покупаете изделие, не похожее на губную помаду или шампунь! Если чудодейственный шампунь не окажет укрепляющее действие на ваши волосы и не придаст им «неотразимый блеск», то в следующий раз вы просто попробуете другой. Если же контактные линзы повредят ваши глаза...

Прочно зарубите себе на носу, что контактные линзы - это одно из средств решить проблемы зрения, а не вечное приспособление, раз и навсегда уже их решившее. Глаза нужно проверять регулярно, так как даже правильно подобранные контактные линзы могут вызвать или скрыть малозаметные изменения, а плохо подобранные линзы могут привести к повреждению роговицы. Хотя и верно, что прежде всего внимание к какой-то проблеме возникает через боль, отнюдь не все проблемы, связанные с ношением контактных линз, начинаются с ощущения дискомфорта или ухудшения зрения. Можно считать почти аксиомой, что врач, правильно подбирающий контактные линзы, всегда настаивает на регулярном и тщательном профилактическом обследовании глаз.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА.

Многие поражаются, узнав, что контактные линзы носили еще в XIX веке. Тем не менее, до начала пятидесятых годов нашего столетия, когда появились небольшие линзы, устанавливаемые на роговицу, применялись они очень редко.

Первые контактные линзы были большими, закрывали глаз почти целиком и изготовлялись из тонкого выдувного стекла. Можете ли вы поставить себя на место смельчака, решившегося поместить в глаз хрупкую стеклянную полусферу? Делалось это отнюдь не от тщеславия. Такие линзы носили люди, которые могли хорошо видеть только с их помощью - очки им не помогали.
В 40-х годах нашего века с развитием производства чистых прозрачных пластмасс хрупкие стеклянные линзы были почти полностью ими вытеснены. Новые пластмассовые линзы были большими, выпуклыми, покрывали роговицу и склеру. Последующее изобретение тонких небольших линз, одеваемых на роговицу и удерживаемых на своем месте просто капиллярным притяжением, стало настоящим прорывом, давшим возможность носить их гораздо большему числу людей.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Роговица - во многих отношениях структура уникальная. Кроме того, что она прозрачна и по-разному реагирует на разные раздражители, роговица не имеет прямого кровоснабжения. Поэтому она должна получать кислород и большинство питательных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности любой живой ткани, непосредственно из воздуха и слез. Слезы должны также смывать все биологические отходы жизнедеятельности. Если что-либо препятствует поступлению воздуха или нарушает слезную пленку, тогда нарушается метаболизм роговицы и ее прозрачность, и вы сразу же сможете это почувствовать.

Первые жесткие контактные линзы, изготовленные из полиметилметакрилата (ПММА), не пропускали воздух. Они проектировались таким образом, чтобы при каждом моргании могли немного смещаться, обеспечивая возможность воздухообмена и заменяя старую слезу с двуокисью углерода на свежую, богатую кислородом.

Появившиеся позднее жесткие газопроницаемые линзы (ЖГЛ) изготавливаются из смеси различных полимеров, благодаря чему допускают некоторый воздухообмен. Однако большинство из них смачивается хуже, чем старые ПММА, и поэтому возникают новые проблемы правильной установки линз.

При конструировании контактных линз учитываются как ваше удобство, так и здоровье роговицы. Если рассматривать роговицу в разрезе с достаточным увеличением, то можно заметить, что она имеет асферическую (не чисто сферическую) форму. Центр ее несколько выпячен, а кромки около склеры глаза уплощены. Жесткие контактные линзы должны приближаться к этой форме, но только приближаться. Некоторые линзы для их лучшей насадки изготовляются с асферической кривизной. Если линза будет прилегать к глазу слишком плотно, то давление приведет к отеку роговицы и ухудшению зрения, а если зазор будет слишком велик, то она будет соскальзывать, натирать и раздражать роговицу и веко, и может даже вообще выскочить из глаза. Между плотностью прилегания и величиной зазора должен быть найден точный баланс, достигаемый путем контроля кривизны линзы, ее размера, толщины и скоса кромок. Если принять во внимание, что средняя жесткая контактная линза имеет размер всего 9 миллиметров в диаметре и толщину порядка 0,2 миллиметра и даже меньше, то в этом крошечном кусочке пластмассы приходится учитывать огромное количество факторов.

Мягкие контактные линзы (МКЛ) называются так потому, что обладают способностью впитывать воду. В отличие от жестких линз, которые не выходят за пределы роговицы, кромка мягких линз заходит на склеру глаза (рис. 33).

Будучи одетой, такая линза впитывает в себя слезу, при этом процент поглощаемой влаги в зависимости от материала линзы находится в пределах от 20 до 80. Количество кислорода и двуокиси углерода, проникающих сквозь мягкую линзу, зависит от содержания воды в ней, а также толщины самой линзы. Механизм удаления отходов не вполне ясен (некоторые из продуктов жизнедеятельности могут линзой задерживаться), и это может сказываться отрицательным образом, особенно при долговременном ношении линз.

ЗАЧЕМ НОСИТЬ КОНТАКТНЫЕ ЛИНЗЫ?

Для большинства людей на первый план выходят соображения красоты, хотя на самом деле у контактных линз много разных преимуществ.

Большей частью эти преимущества свойственны и жестким, и мягким контактным линзам.

1. Зрение становится более естественным, размеры предметов представляются почти настоящими. В очках форма и размеры предметов могут казаться искаженными.
2. Контактные линзы при движении глаз перемещаются вместе с ними, так что при этом не возникает тех искажений, которые бывают, если вы носите очки.
3. Оправа очков уже не ограничивает боковое зрение.
4. При дожде или снеге капли или снежинки не попадают на линзы.
5. Контактные линзы не запотевают при изменении температуры или влажности.
6. Если нужна коррекция зрения, сильно отличающаяся по своим параметрам для каждого глаза, то контактные линзы могут быть единственным способом, при котором оба глаза будут действовать согласованно.
7. У некоторых людей с тенденцией к косоглазию достигается лучшее управление глазодвигательной активностью.
8. При ношении контактных линз обычно уменьшается необходимость в частой коррекции зрения.
9. Контактные линзы могут защищать роговицу на время ее выздоровления (мягкие лечебные линзы).
10. Контактные линзы могут служить компонентом более сложных оптических систем для слабовидящих.

В некоторых редких случаях контактные линзы являются единственным способом обеспечить возможность хорошего зрения, а именно тогда, когда повреждена роговица, когда у нее неправильная форма, или при кератоконусе, заболевании, вызывающем истончение и выпячивание центральной части роговицы в виде конуса. В этих случаях обычно применяются контактные линзы типа ЖГЛ.

ОБСЛЕДОВАНИЕ НА ПРЕДМЕТ ПОКАЗАННОСТИ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗ.

Такое обследование начинается с обычной проверки глаз и зрения с особым вниманием к состоянию роговицы и век. При этом может выявиться что-то необычное, что может исключить или снизить возможность применения линз. Что касается конкретно контактных линз, то замеряется кривизна роговицы. Также оценивается количество и химический состав слезы, так как слеза оказывает существенное влияние на выбор материала и определение длительности периода ношения линз.

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ПРИМЕРКА.

Общее обследование может подсказать врачу, какие именно линзы подходят вам больше всего, но для окончательного выбора обязательно нужно попробовать несколько вариантов - из различного материала и разной конструкции. Обычно для такой «диагностической носки» вам назначат несколько сеансов, и лишь после этого принимается окончательное решение.

Хотите погулять по Луне или посмотреть слону прямо в глаза? Вам помогут бинокли и телескопы. Они могут отправить вас в центр событий без каких либо движений с вашей стороны. Бинокли работают согласно законам оптики, но как именно?

Как работают линзы
Явление преломления лучей света при переходе их из воздуха в воду (или любую другую плотную среду, например, стекло) называется рефракцией. За счет рефракции работают линзы, а бинокли, телескопы или очки работают с использованием линз. Но как прийти от преломления света в воде к биноклю, позволяющему изучать поверхность Луны?

Верхняя граница воды, налитой в стакан, выглядит прямой, хотя она и очень немного искривлена (такая поверхность называется мениском). Если поставить стакан на газету и посмотреть через него вниз, буквы будут выглядеть вполне обычными. Это потому, что верхняя граница воды почти идеально плоская. Но если бы она была искривлена, текст выглядел бы увеличенным. Это можно легко проверить в опыте с «водяной линзой».

Типы линз
Линза - это кусочек стекла с кривыми поверхностями, по форме напоминающий чечевицу. Собственно, слово «линза» восходит к латинскому названию чечевицы. Когда лучи света попадают на линзу, они замедляются и преломляются (отклоняются от прямолинейного пути). Если середина линзы толще ее краев, такая линза называется выпуклой. Лучи, падающие на выпуклую линзу, преломляются так, что собираются на некотором расстоянии от нее в точку. Говорят, что линза собирает лучи света в фокус. Поэтому такие линзы называют собирающими. При рассматривании предметов через собирающую линзу они кажутся крупнее - такие линзы используются в качестве увеличительного стекла, лупы.

Другой тип линз имеет противоположную кривизну - середина их тоньше, чем края. Они называются вогнутыми линзами. Вогнутые линзы заставляют световые лучи распространяться в разные стороны, словно фейерверки. Поэтому такие линзы иногда называются рассеивающими. Рассеивающие линзы используются, например, в проекторах, где они обеспечивают освещение большой площади экрана.

Линзы бывают самых разнообразных размеров и форм. Например, огромная линза Френеля в фонаре уличного освещения предназначена для посылки луча света на большое расстояние. Линзы биноклей работают противоположным образом - они собирают свет от далеких объектов, чтобы их можно было увидеть более четко.

Как работает бинокль
Если мы хотели бы рассмотреть что-то на большом расстоянии, мы могли бы взять две выпуклые линзы и поместить их на одной линии друг за другом. Первая линза будет собирать свет от далекого объекта и строить четкое его изображение на небольшом расстоянии позади себя. Эта линза называется объективом, она расположена ближе к объекту. Вторая линза увеличивает изображение, построенное первой, также как лупа увеличивает газетный текст. Если поместить эти линзы в закрытую трубу - получится телескоп.

Бинокль - это два телескопа, смонтированные вместе и дающие изображения для обоих глаз. Но тут есть подробности. Когда лучи света от далекого объекта проходят через выпуклую линзу, они перекрещиваются. Поэтому далекие объекты, если рассматривать их через лупу, выглядят перевернутыми. Вторые линзы эту проблему не исправляют. Поэтому в биноклях применяют призмы (объемные стеклянные клинья), которые поворачивают изображение на 180 градусов. Одна призма поворачивает изображение на 90 градусов, и вторая тоже поворачивает на 90 градусов, и таким образом две призмы переворачивают изображение. Призмы могут быть составлены в линию вместе (призмы с крышей) или под углом 90 градусов (призмы Порро).

Наличие призм объясняет то, почему бинокли такие тяжелые и часто достаточно толстые в середине. Впрочем, есть бинокли без призм, театральные, например. Они невелики по размерам, легкие и компактные, но, к сожалению, имеют невысокое качество изображения.

Линзы, как правило, имеют сферическую или близкую к сферической поверхность. Они могут быть вогнутыми, выпуклыми или плоскими (радиус равен бесконечности). Обладают двумя поверхностями, через которые проходит свет. Они могут сочетаться по-разному, образуя различные виды линз (фото приведено далее в статье):

• Если обе поверхности выпуклые (изогнуты наружу), центральная часть толще, чем по краям.
• Линза с выпуклой и вогнутой сферами называется мениском.
• Линза с одной плоской поверхностью носит название плоско-вогнутой или плоско-выпуклой, в зависимости от характера другой сферы.

Как определить вид линзы? Остановимся на этом подробнее.

Собирающие линзы: виды линз

Независимо от сочетания поверхностей, если их толщина в центральной части больше, чем по краям, они называются собирающими. Имеют положительное фокусное расстояние. Различают следующие виды собирающих линз:

• плоско-выпуклые,
• двояковыпуклые,
• вогнуто-выпуклые (мениск).

Их еще называют «положительными».

Рассеивающие линзы: виды линз

Если их толщина в центре тоньше, чем по краям, то они носят название рассеивающих. Имеют отрицательное фокусное расстояние. Существуют такие виды рассеивающих линз:

• плоско-вогнутые,
• двояковогнутые,
• выпукло-вогнутые (мениск).

Их еще называют «отрицательными».

Базовые понятия

Лучи от точечного источника расходятся из одной точки. Их называют пучком. Когда пучок входит в линзу, каждый луч преломляется, изменяя свое направление. По этой причине пучок может выйти из линзы в большей или меньшей степени расходящимся.

Некоторые виды оптических линз изменяют направление лучей настолько, что они сходятся в одной точке. Если источник света расположен, по меньшей мере, на фокусном расстоянии, то пучок сходится в точке, удаленной, по крайней мере, на ту же дистанцию.

Действительные и мнимые изображения

Точечный источник света называется действительным объектом, а точка сходимости пучка лучей, выходящего из линзы, является его действительным изображением.

Важное значение имеет массив точечных источников, распределенных на, как правило, плоской поверхности. Примером может служить рисунок на матовом стекле, подсвеченный сзади. Другим примером является диафильм, освещенный сзади так, чтобы свет от него проходил через линзу, многократно увеличивающую изображение на плоском экране.

В этих случаях говорят о плоскости. Точки на плоскости изображения 1:1 соответствуют точкам на плоскости объекта. То же относится и к геометрическим фигурам, хотя полученная картинка может быть перевернутой по отношению к объекту сверху вниз или слева направо.

Схождение лучей в одной точке создает действительное изображение, а расхождение - мнимое. Когда оно четко очерчено на экране - оно действительное. Если же изображение можно наблюдать, только посмотрев через линзу в сторону источника света, то оно называется мнимым. Отражение в зеркале - мнимое. Картину, которую можно увидеть через телескоп - тоже. Но проекция объектива камеры на пленку дает действительное изображение.

Фокусное расстояние

Фокус линзы можно найти, пропустив через нее пучок параллельных лучей. Точка, в которой они сойдутся, и будет ее фокусом F. Расстояние от фокальной точки до объектива называют его фокусным расстоянием f. Параллельные лучи можно пропустить и с другой стороны и таким образом найти F с двух сторон. Каждая линза обладает двумя F и двумя f. Если она относительно тонка по сравнению с ее фокусными расстояниями, то последние приблизительно равны.

Дивергенция и конвергенция

Положительным фокусным расстоянием характеризуются собирающие линзы. Виды линз данного типа (плоско-выпуклые, двояковыпуклые, мениск) сводят лучи, выходящие из них, больше, чем они были сведены до этого. Собирающие объективы могут формировать как действительное, так и мнимое изображение. Первое формируется только в случае, если расстояние от линзы до объекта превышает фокусное.

Отрицательным фокусным расстоянием характеризуются рассеивающие линзы. Виды линз этого типа (плоско-вогнутые, двояковогнутые, мениск) разводят лучи больше, чем они были разведены до попадания на их поверхность. Рассеивающие линзы создают мнимое изображение. И только когда сходимость падающих лучей значительна (они сходятся где-то между линзой и фокальной точкой на противоположной стороне), образованные лучи все еще могут сходиться, образуя действительное изображение.

Важные различия

Следует быть очень внимательными, чтобы отличать схождение или расхождение лучей от конвергенции или дивергенции линзы. Виды линз и пучков света могут не совпадать. Лучи, связанные с объектом или точкой изображения, называются расходящимися, если они «разбегаются», и сходящимся, если они «собираются» вместе. В любой коаксиальной оптической системе оптическая ось представляет собой путь лучей. Луч вдоль этой оси проходит без какого-либо изменения направления движения из-за преломления. Это, по сути, хорошее определение оптической оси.

Луч, который с расстоянием отдаляется от оптической оси, называется расходящимся. А тот, который к ней становится ближе, носит название сходящегося. Лучи, параллельные оптической оси, имеют нулевое схождение или расхождение. Таким образом, когда говорят о схождении или расхождении одного луча, его соотносят с оптической осью.

Некоторые виды которых такова, что луч отклоняется в большей степени к оптической оси, являются собирающими. В них сходящиеся лучи сближаются еще больше, а расходящиеся отдаляются меньше. Они даже в состоянии, если их сила достаточна для этого, сделать пучок параллельным или даже сходящимся. Аналогично рассеивающая линза может развести расходящиеся лучи еще больше, а сходящиеся - сделать параллельными или расходящимися.

Увеличительные стекла

Линза с двумя выпуклыми поверхностями толще в центре, чем по краям, и может использоваться в качестве простого увеличительного стекла или лупы. При этом наблюдатель смотрите через нее на мнимое, увеличенное изображение. Объектив камеры, однако, формирует на пленке или сенсоре действительное, как правило, уменьшенное в размерах по сравнению с объектом.

Очки

Способность линзы изменять сходимость света называется ее силой. Выражается она в диоптриях D = 1 / f, где f - фокусное расстояние в метрах.

У линзы с силой 5 диоптрий f = 20 см. Именно диоптрии указывает окулист, выписывая рецепт очков. Скажем, он записал 5,2 диоптрий. В мастерской возьмут готовую заготовку в 5 диоптрий, полученную на заводе-изготовителе, и отшлифуют немного одну поверхность, чтобы добавить 0,2 диоптрии. Принцип состоит в том, что для тонких линз, в которых две сферы расположены близко друг к другу, соблюдается правило, согласно которому общая их сила равна сумме диоптрий каждой: D = D 1 + D 2 .

Труба Галилея

Во времена Галилея (начало XVII века), очки в Европе были широко доступны. Они, как правило, изготавливались в Голландии и распространялись уличными торговцами. Галилео слышал, что кто-то в Нидерландах поместил два вида линз в трубку, чтобы удаленные объекты казались больше. Он использовал длиннофокусный собирающий объектив в одном конце трубки, и короткофокусный рассеивающий окуляр на другом конце. Если фокусное расстояние объектива равно f o и окуляра f e , то дистанция между ними должна быть f o -f e , а сила (угловое увеличение) f o /f e . Такая схема называется трубой Галилея.

Телескоп обладает увеличением 5 или 6 крат, сравнимым с современными ручными биноклями. Этого достаточно для многих захватывающих Можно без проблем увидеть лунные кратеры, четыре луны Юпитера, фазы Венеры, туманности и звездные скопления, а также слабые звезды в Млечном Пути.

Телескоп Кеплера

Кеплер услышал обо всем этом (он и Галилей вели переписку) и построил еще один вид телескопа с двумя собирающими линзами. Та, у которой большое фокусное расстояние, является объективом, а та, у которой оно меньше - окуляром. Расстояние между ними равно f o + f e , а угловое увеличение составляет f o /f e . Этот кеплеровский (или астрономический) телескоп создает перевернутое изображение, но для звезд или луны это не имеет значения. Данная схема обеспечила более равномерное освещение поля зрения, чем телескоп Галилея, и была более удобна в использовании, так как позволяла держать глаза в фиксированном положении и видеть все поле зрения от края до края. Устройство позволяло достичь более высокого увеличения, чем труба Галилея, без серьезного ухудшения качества.

Оба телескопа страдают от сферической аберрации, в результате чего изображения не полностью сфокусированы, и хроматической аберрации, создающей цветные ореолы. Кеплер (и Ньютон) считал, что эти дефекты невозможно преодолеть. Они не предполагали, что возможны ахроматические виды которых станет известна лишь в XIX веке.

Зеркальные телескопы

Грегори предположил, что в качестве объективов телескопов можно использовать зеркала, так как в них отсутствует цветная окантовка. Ньютон воспользовался этой идеей и создал ньютоновскую форму телескопа из вогнутого посеребренного зеркала и положительного окуляра. Он передал образец Королевскому обществу, где тот находится и по сей день.

Однолинзовый телескоп может проецировать изображение на экран или фотопленку. Для должного увеличения требуется положительная линза с большим фокусным расстоянием, скажем, 0,5 м, 1 м или много метров. Такая компоновка часто используется в астрономической фотографии. Людям, незнакомым с оптикой, может показаться парадоксальной ситуация, когда более слабая длиннофокусная линза дает большее увеличение.

Сферы

Высказывались предположения, что древние культуры, возможно, имели телескопы, потому что они делали маленькие стеклянные шарики. Проблема состоит в том, что неизвестно, для чего они использовались, и они, конечно, не могли бы лечь в основу хорошего телескопа. Шарики могли применяться для увеличения мелких объектов, но качество при этом вряд ли было удовлетворительным.

Фокусное расстояние идеальной стеклянной сферы очень короткое и формирует действительное изображение очень близко от сферы. Кроме того, аберрации (геометрические искажения) значительные. Проблема кроется в расстоянии между двумя поверхностями.

Однако если сделать глубокую экваториальную канавку, чтобы блокировать лучи, которые вызывают дефекты изображения, она превращается из очень посредственной лупы в прекрасную. Такое решение приписывается Коддингтону, а увеличитель его имени можно приобрести сегодня в виде небольших ручных луп для изучения очень маленьких объектов. Но доказательств того, что это было сделано до 19-го века, нет.