Линзы - виды, характеристика и свойства

Если бы не существовало такой детали, как линза, физика, как и другие науки, не смогла бы преобразовать наш мир. 

Люди не смогли бы наблюдать бесконечность космоса сквозь телескоп и бесконечность жизни через микроскоп, скрупулёзно занося свои наблюдения в различные таблицы. Пытаясь найти свое место во Вселенной и понять свое происхождение, человек создал Большую Науку.

Что такое линза

Увеличительные стекла были известны еще с древних времен. По форме они очень напоминали чечевицу (lens на латыни), что и дало им современное название. Применялись они для увеличения изображений слабовидящими.

Линза в оптике – это кусок стекла или любого другого прозрачного материала с гладкой полированной поверхностью сферической формы. 

Благодаря этим особенностям она способна изменять направление света, проходящего сквозь него, и потому применяется во множестве приборов.

Виды линз

В зависимости от того, как ведут себя проходящие через них лучи света, они бывают собирающие и рассеивающие.

Первые имеют выпуклую форму с обеих сторон и называются двояковыпуклыми. Кроме того, бывают плоско-выпуклые и выпукло-вогнутые.

Рассеивающие имеют вогнутую форму и называются двояковогнутыми. Конечно, есть и другие формы: вогнуто-плоские и вогнуто-выпуклые.

Главная оптическая ось линзы

Свет, проходящий через сферическую поверхность, ведет себя необычно. У самого края он преломляется сильнее, чем у центра. Связано это с тем, что у края кривизна сильнее. 

Таким образом, чем ближе к центру будет проходить луч, тем меньше он будет отклоняться в сторону. И в геометрическом центре линзы, который еще называют оптическим центром, свет вообще не будет преломляться и пройдет как через обычное оконное стекло. 

Если у симметричных этот центр находится внутри, то у остальных разновидностей он может находиться за ее пределами.

Пропущенная через эту точку прямая, которая повторит ход пройденного и оставшегося непреломленным луча, будет называться главной оптической осью.

Фокус линзы и фокусное расстояние

Чтобы понять, что такое фокус линзы, лучше всего представить себе ее собирающий класс. 

Пучки света, пройдя через нее, должны будут пересечься в какой-то точке, которая будет находиться на главной оптической оси. Эта точка и называется фокусом. 

Она есть и у рассеивающих линз, но, чтобы найти ее, нужно продолжить расходящиеся лучи в обратную сторону. Будет казаться, что они все вышли из одной точки по эту сторону от нее. Это и будет фокус, но в данном случае он мнимый, а не действительный.

Расстояние от оптического центра до фокуса именуется фокусным расстоянием. Оно может быть положительным и отрицательным. 

Со знаком «+» оно для собирающих, а для рассеивающих – со знаком «-».

Ход лучей в линзе

Для того чтобы легче просчитывать построение изображения в линзе, принято брать схематическое ее обозначение, сильно идеализированное. Ее называют тонкой. Считается, что ее толщина намного меньше, чем радиусы ее кривизны. Это позволяет упростить многие задачи по оптике.

Как упоминалось выше, свет, проходящий через оптический центр, никак не преломляется. Причем это свойство соблюдается, под каким бы углом он ни падал. У таких побочных оптических осей тоже существуют свои фокусы, которые тоже являются побочными. 

Все они, включая и главный, лежат на одной плоскости, которую называют фокальной - она перпендикулярна главной оптической оси. Все это справедливо как для собирающей, так и для рассеивающей линзы.

Теперь, когда основные понятия обозначены, можно приступать к рассмотрению хода лучей:

1. Пересекая собирающую линзу, лучи соберутся за ней в фокусе.

2. То же справедливо и для обратного случая: если в фокусе разместить источник света, то лучи от него будут вначале расходиться, а после нее пойдут параллельно друг другу.

3. В случае вогнутых стекол они будут расходиться в разные стороны, а по эту сторону в мнимом фокусе будет светящаяся точка.

4. Если лучи падают наклонно, то они соберутся вместе в побочном фокусе. Найти его легко: через оптический центр нужно пропустить прямую под нужным углом до фокальной плоскости.

5. Если лучи падают под определенным углом в рассеивающей линзе, то побочный фокус находится ровно там же, но фокальная плоскость будет проходить через мнимый фокус. Соответственно, прямая от оптического центра продолжается до него, где и будет точка, откуда как будто бы они расходятся.

Формула линзы

Существует закономерность между фокусным расстоянием, расстояниями от линзы до предмета и до его изображения. Все это хорошо описывает следующая формула:

Знаки «±» здесь не случайны. Как уже говорилось, все зависит от вида линзы: для собирающей это «+», а для рассеивающей будет «-». 

Латинская буква d означает расстояние до предмета, f – расстояние до его изображения, F — фокусное расстояние.