Линзы

Линза (нем. Linse, от латин. lens – чечевица) – деталь из оптически (и не только, линзы также применяются в СВЧ технике, и там обычно состоят из непрозрачных диэлектриков или набора металлических пластин) прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время все чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

Линзами также называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. Например: плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра, линзы Френеля, зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции, «линзы» воздуха в атмосфере – неоднородность свойств, в частности, коэффициента преломления (проявляются в виде мерцания изображения звезд в ночном небе), гравитационная линза – наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами, магнитная линза – устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах. Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы используется при расчете сложных оптических систем.

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краев, а к группе рассеивающих – линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырек воздуха в воде – двояковыпуклая рассеивающая линза. Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях) и фокусным расстоянием. Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего – хроматической, обусловленной дисперсией света, – ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например, коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне. Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления. Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например, линзы очков для близоруких – как правило, отрицательные мениски. Вопреки распространенному заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами не равно нулю, а положительна, и зависит от показателя преломления стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке, называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна). Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на ее поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Основные элементы линзы: \(NN\) – 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 ее центре).

Примечание. Ход лучей показан, как в идеализированной (тонкой) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела сред. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из нее будут преломляться в сторону краев линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке \(F\), которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.

Мнимый фокус рассеивающей линзы