A lencsék átlátszó tárgyak, amelyek képesek megtörni a napfényt. Főleg üvegből készülnek. A „fénytörés” kifejezés a beeső fénysugarak terjedési irányának megváltoztatásának képességére utal. Nézzük meg, hogyan készülnek a képek vékony lencsében.
Történelmi háttér
Az ókori görögök és rómaiak által ismert első lencsék gömb alakú, vízzel töltött üvegedények voltak. A modern optikai szemüvegek ezen prototípusait tűzgyújtásra használták.
Csak a 13. század végén készült az első üveglencse Európában. Azóta gyártásuk folyamata nem sokat változott. Az egyetlen újítás az volt, hogy Isaac Newton kátrányt használt a 17. században az optikai tárgyak felületének polírozására.
Optikai üvegek begyűjtése és szétszórása
A vékony lencsén lévő képek felépítésének könnyebb megértése érdekében fontolja mega kérdés az, hogy mi az az optikai szemüveg. Általában csak kétféle lencse létezik, amelyek alakjukban és a fényáram megtörési képességében különböznek egymástól. A következő típusokat különböztetjük meg:
- Konvergáló lencsék. Ennek a típusnak a központi részének vastagsága nagyobb, mint az élek vastagsága. Az így kapott kép egy konvergáló lencsében a rá eső fény másik oldalán alakul ki. Ez a típus képes egyetlen pontba gyűjteni a fényt (pozitív fókusz).
- Eltérő lencsék. Középső részük vékonyabb, mint a széle. Ezek az optikai üvegek formájukból adódóan szórják a rájuk eső fényt, ami a lencse ugyanazon oldalán képződéshez vezet, mint ahogy a tárgyból érkező sugarak ráesnek. A generált kép sokkal kisebb, mint a tényleges elem. Ha az optikai üveg által szórt sugarakat úgy folytatjuk, hogy meghatározzuk az eredetüket, akkor úgy fog tűnni, hogy egy pontból bukkannak fel előtte. Ezt a pontot fókusznak nevezik, amely negatív vagy képzeletbeli egy széttartó objektív esetében.
Különböző formájú optikai szemüvegek
A meglévő kétféle lencse többféleképpen is elkészíthető. A következő 6 formát különböztetjük meg:
- Kétfelé domború.
- Síkkonvex.
- Konvex meniszkusszal (konkáv-domború).
- Bikonkáv.
- Síkkonkáv.
- Homorú meniszkusszal (konvex-konkáv).
domború üvegelemek
A lencse és a beépítés fizikájának megértéséhezvékony képalkotó lencsék esetében ismerni kell ennek az optikai tárgynak az alapelemeit. Soroljuk fel őket:
- Az optikai középpont (O) az a pont, amelyen a fény áthalad anélkül, hogy megtörne.
- A főtengely egy egyenes, amely áthalad az optikai középponton és a fő fókuszon.
- A fő vagy fő fókusz (F) az a pont, amelyen a fénysugarak vagy azok kiterjesztései áthaladnak, ha a fő tengelyével párhuzamosan esnek az optikai üvegre.
- Segédtengely – bármely egyenes, amely áthalad az optikai középponton.
- A görbületi sugarak a lencsét alkotó gömbök két sugara: R1 és R2.
- Görbületi középpontok – a gömbök két középpontja, C1 és C2, amelyek az optikai üveg felületeit alkotják.
- Fókusztávolság (f) – a fókuszpont és az optikai középpont közötti távolság. Az (f) értéknek van egy másik definíciója is: ez az optikai lencse középpontja és a kép közötti távolság, amely végtelenül távoli objektumot ad.
Optikai tulajdonságok
Legyen szó egyszerű domború üvegről vagy összetett optikai rendszerekről, amelyek egyedi lencsék gyűjteményét jelentik, optikai tulajdonságaik két paramétertől függenek: a gyújtótávolságtól, valamint a gyújtótávolság és a lencse átmérője közötti összefüggéstől.
A gyújtótávolságot kétféleképpen mérik:
- A normál távolság mértékegységeiben, például 10 cm, 1 m és így tovább.
- Dioptriában ez egy olyan érték, amely fordítottan arányos a gyújtótávolsággal, méterben mérve.
Például egy 1 dioptriás optikai üveg gyújtótávolsága 1 m, míg egy 2 dioptriás lencse gyújtótávolsága mindössze 0,5 m.
A lencse átmérője és a gyújtótávolsághoz való viszonya határozza meg az optikai üveg fénygyűjtő képességét vagy fénykibocsátását.
A lencsén áthaladó sugarak tulajdonságai
Az iskolákban a 8. osztályban a fizika egyik fontos témája a vékony lencsés képek készítése. A képek készítésének megtanulásához nemcsak az alapfogalmakat és elemeket kell ismerni, hanem az optikailag aktív objektumon áthaladó egyes sugarak tulajdonságait is:
- A főtengellyel párhuzamosan haladó sugár megtörik úgy, hogy vagy áthalad a fókuszon (konvergáló lencse esetén), vagy képzeletbeli folytatása a fókuszon (egy divergens).
- A fókuszon áthaladó sugár megtörik, így a főtengellyel párhuzamosan folytatja mozgását. Vegyük figyelembe, hogy divergáló lencse esetén ez a szabály akkor érvényes, ha a rá eső sugár folytatása átmegy az optikai objektum másik oldalán található fókuszon.
- A lencse közepén áthaladó fénysugár nem tapasztal törést és nem változtat irányt.
Vékony lencsékben képalkotás jellemzői
Bár gyűjtő és szóró optikaia szemüvegek hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, a képek felépítése mindegyikben megvan a maga sajátossága.
A képek készítésekor a vékony lencse képlete a következő:
1/f=1/do+1/di, ahol do és di az optikai középpont és az objektum és a kép távolsága.
Ne feledje, hogy a gyújtótávolság (f) pozitív konvergáló lencséknél, negatív pedig divergő objektíveknél.
A gyűjtő optikai üvegen áthaladó sugarak fenti tulajdonságainak alkalmazása a következő eredményekhez vezet:
- Ha az objektum 2f-nál nagyobb távolságra van, akkor valódi képet kapunk, amelynek mérete kisebb, mint az objektum. Fejjel lefelé látjuk.
- A lencsétől 2f távolságra elhelyezett tárgy valódi fordított képet eredményez, amely ugyanolyan méretű, mint maga a tárgy.
- Ha az objektum f-nél nagyobb, de 2f-nél kisebb távolságra van, akkor valódi fordított és felnagyított képet kapunk róla.
- Ha a tárgy a fókuszpontban van, akkor az optikai üvegen áthaladó sugarak párhuzamosak lesznek, ami azt jelenti, hogy nincs kép.
- Ha egy objektum egy gyújtótávolságnál közelebb van, akkor a képe képzeletbelinek, közvetlennek és nagyobbnak bizonyul, mint maga a tárgy.
Mivel a konvergáló és széttartó lencsén áthaladó sugarak tulajdonságai hasonlóak, az ilyen típusú vékony lencsék által adott képek készítése hasonló szabályok szerint történik.
Rajzokképalkotás különféle alkalmakra
A rajzokon a konvergáló lencsét egy vonal jelzi, amelynek végein kifelé mutató nyilak találhatók, a széttartó lencsét pedig egy vonal jelzi, amelynek végein nyilak vannak befelé, azaz egymásra.
Az előző bekezdésben tárgy alt vékony lencsés képek készítésére szolgáló rajzok különböző változatai az alábbi ábrán láthatók.
Mint az ábrán látható, minden kép (bármilyen típusú optikai üveg esetén és a tárgy hozzájuk viszonyított elhelyezkedése) két gerendára épül. Az egyik a főtengellyel párhuzamosan, a másik pedig az optikai középponton halad át. Ezeknek a nyaláboknak a használata kényelmes, mert ismert a lencsén való áthaladás utáni viselkedésük. Azt is vegyük figyelembe, hogy az objektum alsó széle (jelen esetben piros nyíl) a fő optikai tengelyen található, így elég csak az objektum felső pontjának képét megépíteni. Ha az objektum (piros nyíl) tetszőlegesen helyezkedik el az optikai üveghez képest, akkor külön-külön kell képet készíteni annak felső és alsó részéről is.
Két gerenda elegendő bármilyen kép elkészítéséhez. Ha bizonytalan az eredmény, akkor a harmadik sugár segítségével ellenőrizhető. A fókuszon keresztül kell irányítani (a konvergáló lencse elé és a széttartó lencse mögé), majd az optikai üvegen való áthaladás és az abban lévő fénytörés után a sugár párhuzamos lesz a fő optikai tengellyel. Ha megoldódik a kép vékony lencsében való felépítésének problémájajobbra, akkor áthalad azon a ponton, ahol a két főnyaláb metszi egymást.
Optikai tárgyak gyártási folyamata
A legtöbb lencse speciális üvegből, úgynevezett optikai lencsékből készül. Az ilyen üvegen nincsenek belső feszültségek, légbuborékok és egyéb tökéletlenségek.
A lencsék készítési folyamata több szakaszból áll. Először egy optikai üvegtömbből megfelelő fémszerszámok segítségével kivágunk egy kívánt alakú homorú vagy domború tárgyat. Ezután kátrány segítségével polírozzák. Az utolsó szakaszban az optikai üveget csiszolószerszámok segítségével átméretezik úgy, hogy a súlypont pontosan egybeessen az optikai középponttal.
A különböző típusú műanyagok előállítására és feldolgozására szolgáló technológiák fejlődése következtében a lencsék egyre gyakrabban készülnek átlátszó műanyagfajtákból, amelyek olcsóbbak, könnyebbek és kevésbé törékenyek, mint üvegtársaik.
Alkalmazási területek
Az optikai szemüveget különféle látási problémák megoldására használják. Ehhez mind műanyag, mind üveg (szemüveges) kontaktlencséket használnak.
Ezenkívül az optikai szemüveget fényképezőgépekben, mikroszkópokban, teleszkópokban és más optikai eszközökben is használják. Egész lencserendszert használnak. Például a legegyszerűbb, két optikai üvegből álló mikroszkópnál az első valós képet alkot a tárgyról, ill.a második a képének nagyítására szolgál. Ezért a második üveg megfelelő távolságra van az elsőtől, a vékony lencsékben való képalkotás szabályai szerint.
