Soczewki to przezroczyste obiekty, które mogą załamywać światło słoneczne. Wykonane są głównie ze szkła. Słowa „światło załamujące” odnoszą się do zdolności do zmiany kierunku propagacji padających promieni świetlnych. Zastanówmy się, jak zbudowane są obrazy w cienkiej soczewce.
Tło historyczne
Pierwszymi soczewkami znanymi starożytnym Grekom i Rzymianom były sferyczne szklane naczynia wypełnione wodą. Te prototypy nowoczesnych szkieł optycznych były używane do rozniecania ognia.
Pierwszy szklany obiektyw powstał w Europie dopiero pod koniec XIII wieku. Od tego czasu proces ich wytwarzania niewiele się zmienił. Jedyną innowacją było użycie smoły przez Izaaka Newtona w XVII wieku do polerowania powierzchni obiektów optycznych.
Zbieranie i rozpraszanie okularów optycznych
Aby ułatwić zrozumienie konstrukcji obrazów w cienkich soczewkach, rozważpytanie, co to są okulary optyczne. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją tylko dwa rodzaje soczewek, które różnią się kształtem i zdolnością do załamywania strumienia świetlnego. Rozróżnia się następujące typy:
- Soczewki zbieżne. Ten typ ma grubość części środkowej większą niż grubość krawędzi. Powstały obraz w soczewce skupiającej powstaje po drugiej stronie padającego na nią światła. Ten typ ma zdolność zbierania światła w jednym punkcie (ostrość dodatnia).
- Rozbieżne soczewki. Ich środkowa część jest cieńsza niż brzegi. Ze względu na swój kształt, te szkła optyczne rozpraszają padające na nie światło, co prowadzi do powstania obrazu po tej samej stronie soczewki, na którą padają promienie obiektu. Wygenerowany obraz jest znacznie mniejszy niż rzeczywisty przedmiot. Jeśli promienie rozproszone przez to szkło optyczne będą kontynuowane w taki sposób, aby określić ich pochodzenie, to będzie się wydawać, że wychodzą one z jednego punktu przed nim. Ten punkt nazywa się ogniskiem, które jest ujemne lub urojone dla soczewki rozpraszającej.
Różne kształty okularów optycznych
Istniejące dwa rodzaje soczewek można wykonać na kilka sposobów. Rozróżnia się 6 form:
- Dwustronnie wypukły.
- Płasko-wypukły.
- Z meniskiem wypukłym (wklęsło-wypukłym).
- Biwklęsła.
- Plano-wklęsłe.
- Z meniskem wklęsłym (wypukło-wklęsłym).
Wypukłe elementy szklane
Aby zrozumieć fizykę soczewki i wbudowaniacienkie soczewki obrazujące, konieczna jest znajomość podstawowych elementów tego obiektu optycznego. Wymieńmy je:
- Centrum optyczne (O) to punkt, przez który światło przechodzi bez załamywania się.
- Oś główna to linia prosta, która przechodzi przez punkt w środku optycznym i ognisku głównym.
- Główne lub główne ognisko (F) to punkt, przez który przechodzą promienie świetlne lub ich rozszerzenia, jeśli padają na szkło optyczne równolegle do jego osi głównej.
- Oś pomocnicza - dowolna linia prosta przechodząca przez środek optyczny.
- Promienie krzywizny to dwa promienie, R1 i R2 sfer tworzących soczewkę.
- Środki krzywizny - dwa centra sfer, C1 i C2, które tworzą powierzchnie szkła optycznego.
- Ogniskowa (f) - odległość między ogniskiem a środkiem optycznym. Istnieje inna definicja wartości (f): jest to odległość od środka soczewki optycznej do obrazu, co daje obiekt znajdujący się nieskończenie daleko.
Właściwości optyczne
Czy jest to proste wypukłe szkło, czy też złożone układy optyczne, które są zbiorem pojedynczych soczewek, ich właściwości optyczne zależą od dwóch parametrów: ogniskowej oraz relacji między ogniskową a średnicą soczewki.
Ogniskowa jest mierzona na dwa sposoby:
- W jednostkach normalnej odległości, takich jak 10 cm, 1 m itd.
- W dioptriach jest to wartość odwrotnie proporcjonalna do ogniskowej, mierzona w metrach.
Na przykład szkło optyczne o mocy 1 dioptrii ma ogniskową 1 m, podczas gdy obiektyw o mocy 2 dioptrii ma ogniskową tylko 0,5 m.
Średnica soczewki i jej stosunek do ogniskowej określają zdolność szkła optycznego do zbierania światła lub jego strumienia świetlnego.
Właściwości promieni przechodzących przez soczewkę
W szkołach w 8. klasie tworzenie obrazów w cienkich soczewkach jest jednym z ważnych tematów w fizyce. Aby nauczyć się budować te obrazy, należy znać nie tylko podstawowe pojęcia i elementy, ale także właściwości niektórych promieni przechodzących przez obiekt aktywny optycznie:
- Każdy promień przechodzący równolegle do głównej osi jest załamywany w taki sposób, że albo przechodzi przez ognisko (w przypadku soczewki skupiającej), albo jego urojona kontynuacja przechodzi przez ognisko (w przypadku rozbieżny).
- Wiązka przechodząca przez ognisko jest załamywana, dzięki czemu kontynuuje swój ruch równolegle do głównej osi. Zwróć uwagę, że w przypadku soczewki rozpraszającej zasada ta obowiązuje, jeśli kontynuacja padającego na nią strumienia przechodzi przez ognisko znajdujące się po drugiej stronie obiektu optycznego.
- Każdy promień światła przechodzący przez środek soczewki nie ulega załamaniu i nie zmienia kierunku.
Cechy budowania obrazów w cienkich soczewkach
Chociaż zbieranie i rozpraszanie optyczneokulary mają podobne właściwości, budowa obrazu w każdym z nich ma swoją własną charakterystykę.
Przy tworzeniu obrazów formuła cienkiej soczewki to:
1/f=1/do+1/di, gdzie do i di to odległość od środka optycznego do obiektu i jego obrazu.
Zwróć uwagę, że ogniskowa (f) jest dodatnia dla soczewek skupiających i ujemna dla soczewek rozbieżnych.
Zastosowanie powyższych właściwości promieni przechodzących przez zbierające szkło optyczne prowadzi do następujących wyników:
- Jeżeli obiekt znajduje się w odległości większej niż 2f, uzyskany zostanie rzeczywisty obraz, który ma mniejszy rozmiar niż obiekt. Widzimy to do góry nogami.
- Obiekt umieszczony w odległości 2f od obiektywu daje rzeczywisty odwrócony obraz o takim samym rozmiarze jak sam obiekt.
- Jeżeli obiekt znajduje się w odległości większej niż f, ale mniejszej niż 2f, uzyskany zostanie jego rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz.
- Jeżeli obiekt znajduje się w ognisku, promienie przechodzące przez szkło optyczne stają się równoległe, co oznacza brak obrazu.
- Jeżeli obiekt znajduje się bliżej niż jedna ogniskowa, jego obraz okaże się wyimaginowany, bezpośredni i większy niż sam obiekt.
Ponieważ właściwości promieni przechodzących przez soczewkę zbieżną i rozbieżną są podobne, konstrukcja obrazów nadawanych przez cienką soczewkę tego typu odbywa się według podobnych zasad.
Rysunkiobrazowanie na różne okazje
Na rysunkach soczewka skupiająca jest oznaczona linią, na której końcach znajdują się strzałki skierowane na zewnątrz, a soczewka rozpraszająca jest oznaczona linią ze strzałkami na końcach skierowanych do wewnątrz, to znaczy na siebie.
Różne warianty rysunków do konstruowania obrazów w cienkich soczewkach, które zostały omówione w poprzednim akapicie, pokazano na poniższym rysunku.
Jak widać na rysunku, wszystkie obrazy (dla każdego typu szkła optycznego i położenia obiektu względem nich) są zbudowane na dwóch wiązkach. Jedna skierowana jest równolegle do osi głównej, a druga przechodzi przez centrum optyczne. Stosowanie tych wiązek jest wygodne, ponieważ znane jest ich zachowanie po przejściu przez soczewkę. Zwróć też uwagę, że dolna krawędź obiektu (w tym przypadku czerwona strzałka) znajduje się na głównej osi optycznej, więc wystarczy zbudować tylko obraz górnego punktu obiektu. Jeżeli obiekt (czerwona strzałka) znajduje się arbitralnie względem szkła optycznego, to konieczne jest niezależne zbudowanie obrazu zarówno jego górnej, jak i dolnej części.
Wystarczą dwie wiązki, aby zbudować dowolny obraz. Jeśli wynik jest niepewny, można go sprawdzić za pomocą trzeciego promienia. Powinna być skierowana przez ognisko (przed soczewką skupiającą i za soczewką rozpraszającą), następnie po przejściu przez szkło optyczne i załamaniu w nim wiązka będzie równoległa do głównej osi optycznej. Jeśli problem z budowaniem obrazu w cienkiej soczewce zostanie rozwiązanyw prawo, to przejdzie przez punkt, w którym przecinają się dwie główne wiązki.
Proces wytwarzania obiektów optycznych
Większość soczewek jest wykonana ze specjalnego rodzaju szkła zwanego soczewkami optycznymi. W takim szkle nie ma naprężeń wewnętrznych, pęcherzyków powietrza i innych niedoskonałości.
Proces wytwarzania soczewek odbywa się w kilku etapach. Najpierw za pomocą odpowiednich metalowych narzędzi wycina się wklęsły lub wypukły przedmiot o pożądanym kształcie z bloku szkła optycznego. Następnie jest polerowany przy użyciu smoły. Na ostatnim etapie rozmiar szkła optycznego jest zmieniany za pomocą narzędzi ściernych, tak aby środek ciężkości dokładnie pokrywał się ze środkiem optycznym.
Dzięki rozwojowi technologii uzyskiwania i przetwarzania różnych rodzajów tworzyw sztucznych, soczewki są obecnie coraz częściej wykonywane z przezroczystych rodzajów tworzyw sztucznych, które są tańsze, lżejsze i mniej kruche niż ich szklane odpowiedniki.
Obszary zastosowań
Okulary optyczne służą do rozwiązywania różnych problemów ze wzrokiem. W tym celu stosuje się zarówno plastikowe soczewki kontaktowe, jak i szklane (z okularami).
Ponadto okulary optyczne są używane w aparatach fotograficznych, mikroskopach, teleskopach i innych przyrządach optycznych. Używają całego systemu soczewek. Na przykład w przypadku najprostszego mikroskopu, składającego się z dwóch szkieł optycznych, pierwsza tworzy rzeczywisty obraz przedmiotu, adrugi służy do powiększenia jego obrazu. Dlatego druga szyba znajduje się w odpowiedniej odległości od pierwszej, zgodnie z zasadami konstruowania obrazów w cienkiej soczewce.
