4.4 Лінзи. Хід променів
Заломлення світла широко використовується у різних оптичних приладах: фотоапаратах, біноклях, телескопах, мікроскопах. . . Неодмінною і найсуттєвішою деталлю таких приладів є лінза.
Лінза це оптично прозоре однорідне тіло, обмежене з двох сторін двома сферичними (або однією сферичною та однією плоскою) поверхнями.
Лінзи зазвичай виготовляються зі скла чи спеціальних прозорих пластмас. Говорячи про матеріал лінзи, ми називатимемо його склом особливої ролі це не грає.
4.4.1 Двоопуклі лінза
Розглянемо спочатку лінзу, обмежену з обох боків двома опуклими сферичними поверхнями (рис. 4.16). Така лінза називається двоопуклою. Наше завдання зараз зрозуміти хід променів у цій лінзі.
A 0 D
Мал. 4.16. Заломлення в двоопуклій лінзі
Найпростіше йде справа з променем, що йде вздовж головної оптичної осі осі симетрії лінзи. На рис. 4.16 цей промінь виходить із точки A 0 . Головна оптична вісь перпендикулярна обом сферичним поверхням, тому даний промінь йде крізь лінзу, не заломлюючись.
Тепер візьмемо промінь AB, що йде паралельно до головної оптичної осі. У точці B падіння променя на лінзу проведено нормаль MN до поверхні лінзи; оскільки промінь переходить з повітря в більш щільне оптично скло, кут заломлення CBN менше кута падіння ABM. Отже, заломлений промінь BC наближається до головної оптичної осі.
У точці C виходу променя з лінзи також проведена нормаль P Q. Промінь перетворюється на оптично менш щільне повітря, тому кут заломлення QCD більше кута падіння P CB; промінь заломлюється у бік головної оптичної осі і перетинає їх у точці D.
Таким чином, будь-який промінь, паралельний головній оптичній осі, після заломлення в лінзінаближається до головної оптичної осі та перетинає її. На рис. 4.17 зображено картину заломлення досить широкого світлового пучка, паралельного головній оптичній осі.
Мал. 4.17. Сферична аберація в двоопуклій лінзі
Як бачимо, широкий пучок світла не фокусується лінзою: чим далі від головної оптичної осі розташований промінь, що падає, тим ближче до лінзи він перетинає головну оптичну вісь після заломлення. Це явище називається сферичною аберацією і відноситься до недоліків лінз адже хотілося б все ж таки, щоб лінза зводила паралельний пучок променів в одну точку 5 .
Досить прийнятного фокусування можна досягти, якщо використовувати вузький світловий пучок, що йде поблизу головної оптичної осі. Тоді сферична аберація майже непомітна подивіться на рис. 4.18.
Мал. 4.18. Фокусування вузького пучка лінзою, що збирає
Добре видно, що вузький пучок, паралельний головній оптичній осі після проходження лінзи збирається приблизно в одній точці F . З цієї причини наша лінза має назву
5 Точне фокусування широкого пучка дійсно можливе, але для цього поверхня лінзи повинна мати не сферичну, а складнішу форму. Шліфувати такі лінзи справа трудомістка і недоцільна. Простіше вже виготовляти сферичні лінзи і боротися з сферичною аберацією, що з'являється.
До речі, аберація називається сферичною саме тому, що виникає в результаті заміни складної несферичної лінзи, що оптимально фокусується, на просту сферичну.
Точка F називається фокусом лінзи. Взагалі, лінза має два фокуси, що знаходяться на головній оптичній осі праворуч та ліворуч від лінзи. Відстань від фокусів до лінзи не обов'язково дорівнює один одному, але ми завжди матимемо справу з ситуаціями, колифокуси розташовані симетрично щодо лінзи.
4.4.2 Двояковогнута лінза
Тепер ми розглянемо зовсім іншу лінзу, обмежену двома увігнутими сферичними поверхнями (рис. 4.19). Така лінза називається двояковогнутою. Так само, як і вище, ми простежимо перебіг двох променів, керуючись законом заломлення.