A lencse ( németül Linse , latinul lens - lencse) egy átlátszó homogén anyagból készült alkatrész, amelynek két fénytörő polírozott felülete van, például mindkettő gömb alakú, vagy az egyik lapos, a másik pedig gömb alakú. Jelenleg egyre gyakrabban használnak "aszférikus lencséket" , amelyek felületének alakja eltér a gömbtől. Az olyan optikai anyagokat , mint az üveg , az optikai üveg , a kristályok , az optikailag átlátszó műanyagok és más anyagok , általában lencseanyagként használnak [1] .
A "lencse" kifejezést más eszközökkel és jelenségekkel kapcsolatban is használják, amelyek sugárzásra gyakorolt hatása hasonló a lencse hatásához, például:
A lencse szó a lassból , a lencse latin nevéből származik , mivel a bikonvex lencse lencse alakú. A geometriai alakzatot lencsének is nevezik [2] .
Egyes tudósok azzal érvelnek, hogy a régészeti bizonyítékok arra utalnak, hogy az ókorban a lencséket több évezreden keresztül széles körben használták [3] . Az úgynevezett Nimrud-lencse a Kr.e. 8. századból ( 750-710 ) származó hegyikristály - lelet , amelyet nagyítóként vagy égető üvegként használhattak, vagy más célra szántak [4] [5] [6] . Mások azt sugallják, hogy egyes egyiptomi hieroglifák "egyszerű üveg meniszkusz lencséket" jelképeznek [7] .
A legrégebbi irodalmi forrás, amely említi a lencsék használatát, nevezetesen az égő üveget, Arisztophanész Felhők című drámája ( Kr . e. 424) [8] . Idősebb Plinius (i.sz. 1. század) megerősíti, hogy a tűzüvegeket az ókorban, nevezetesen a római korban ismerték [9] . Plinius írásai tartalmazzák a korrekciós lencsék használatára vonatkozó legkorábbi ismert utalást is : megemlíti, hogy Néró állítólag smaragd segítségével nézte a gladiátorjátékokat (feltehetően homorú a rövidlátás korrigálására , bár a hivatkozás nem pontos) [10] . Mind Plinius, mind Seneca, az ifjabb (Kr. e. 3 - i.sz. 65) leírták egy vízzel töltött üveggolyó nagyító hatását.
Ptolemaiosz (2. század) írt egy könyvet az optikáról , amely azonban csak latin fordításban maradt fenn egy hiányos és nagyon rossz arab fordításból. A könyvet azonban az iszlám világ középkori tudósai elfogadták, és Ibn Sal (10. század) kommentálta, akinek közreműködését Alhazen ( Optika könyve , 11. század) javította. Ptolemaiosz Optikájának arab fordítása latin fordításban a 12. században vált elérhetővé ( Palermói Jenő , 1154). A 11. és 13. század között feltalálták az „ olvasóköveket ” . Ezek primitív sík-domború lencsék voltak, eredetileg egy üveggömb kettévágásával készültek. A középkori (11. vagy 12. századi) Visby -kőzetkristály lencséket gyújtóüvegnek szánták, de elképzelhető, hogy más célra is készültek [11] .
A szemüveget a középkor "olvasókövei" továbbfejlesztéseként találták fel Észak -Olaszországban a 13. század második felében [12] . Ezzel kezdetét vette a szemüveglencséket csiszoló és polírozó optikai ipar, először a 13. század végén Velencében és Firenzében [13] , majd Hollandiában és Németországban a szemüveggyártás központjaiban [14]. . A szemüveggyártók továbbfejlesztett típusú lencséket készítettek látásjavításra, inkább a lencsék hatásainak megfigyeléséből származó empirikus ismeretek alapján (valószínűleg az akkori elemi optikai elmélet ismerete nélkül) [15] [16] . A gyakorlati fejlesztések és a lencsékkel kapcsolatos kísérletezések 1595 körül az összetett optikai mikroszkóp , 1608-ban pedig a refraktor teleszkóp feltalálásához vezettek , mindkettő holland szemüveggyártó központokból származik [17] [18] .
A 17. századi teleszkóp és a 18. század elején a mikroszkóp feltalálásával számos kísérletet végeztek a lencseformákkal, hogy kijavítsák az utóbbinál észlelt kromatikus hibákat. A látszerészek különféle görbületi formájú lencséket próbáltak megtervezni, tévesen azt gondolva, hogy a hibák a felületük gömbalakjának hibái miatt keletkeztek [19] . A fénytörés optikai elmélete és a kísérletek kimutatták, hogy egyetlen elemes lencse sem képes minden színt fókuszálni. Ennek eredményeként Chester Moore Hall 1733-ban Angliában feltalálta az összetett akromatikus lencsét, amelyet az angol John Dollond is igényelt egy 1758 - as szabadalomban .
Az alaktól függően vannak konvergáló (pozitív) és divergáló (negatív) lencsék. A konvergáló lencsék csoportjába általában azok a lencsék tartoznak, amelyeknél a közepe vastagabb, mint a széle, a divergáló lencsék csoportjába pedig azok a lencsék, amelyek széle vastagabb, mint a középső. Meg kell jegyezni, hogy ez csak akkor igaz, ha a lencse anyagának törésmutatója nagyobb, mint a környezeté. Ha a lencse törésmutatója kisebb, a helyzet megfordul. Például a vízben lévő légbuborék egy bikonvex divergáló lencse.
Az objektíveket általában az optikai teljesítményük ( dioptriában mérve ) és a gyújtótávolságuk jellemzi .
A korrigált optikai aberrációval rendelkező (elsősorban kromatikus , fényszórás miatti akromaták és apokromátok ) optikai eszközök készítéséhez a lencsék és anyagaik egyéb tulajdonságai is fontosak, például a törésmutató , a diszperziós együttható , az abszorpciós index és a szórási index. anyag a kiválasztott optikai tartományban.
Néha a lencséket/lencseoptikai rendszereket (refraktorokat) kifejezetten viszonylag magas törésmutatójú közegben való használatra tervezték (lásd: merülőmikroszkóp , immerziós folyadékok ).
A domború-konkáv lencsét meniszkusznak nevezik, és lehet konvergáló (közepe felé vastagodik), divergens (szélek felé vastagodik) vagy teleszkópos (a fókusztávolság a végtelen). Így például a rövidlátók szemüveglencséi általában negatív meniszkuszok.
A közkeletű tévhittel ellentétben az azonos sugarú meniszkusz optikai ereje nem nulla, hanem pozitív, és az üveg törésmutatójától és a lencse vastagságától függ. A meniszkuszt, amelynek felületeinek görbületi középpontja egy ponton van, koncentrikus lencsének nevezzük (az optikai teljesítmény mindig negatív).
A konvergáló lencse megkülönböztető tulajdonsága, hogy képes összegyűjteni a felületére eső sugarakat a lencse másik oldalán található egy ponton.
Ha a konvergáló lencse előtt bizonyos távolságra egy S fénypontot helyezünk el, akkor a tengely mentén irányított fénysugár megtörés nélkül halad át a lencsén , és a középponton át nem haladó sugarak megtörnek az optikai lencse felé. tengelyt, és metszi egymást egy F pontban, amely és az S pont képe lesz. Ezt a pontot konjugált fókusznak , vagy egyszerűen fókusznak nevezik .
Ha egy nagyon távoli forrásból származó fény esik a lencsére, amelynek sugarai párhuzamos nyalábban mennek, akkor a kilépésnél a sugarak nagyobb szögben törnek meg, és az F pont az optikai sugáron fog mozogni. tengelye közelebb van az objektívhez. Ilyen körülmények között az objektívből kilépő sugarak metszéspontját F' fókusznak, a lencse középpontja és a fókusz közötti távolságot pedig gyújtótávolságnak nevezzük .
A széttartó lencsékre beeső sugarak a kilépésnél a lencse szélei felé törnek, azaz szétszóródnak. Ha ezek a sugarak az ábrán a pontozott vonallal ellentétes irányban folytatódnak, akkor egy F pontban konvergálnak, amely ennek az objektívnek a fókusza lesz. Ez a fókusz képzeletbeli lesz.
Az optikai tengelyre való fókuszálásról elmondottak egyformán érvényesek azokra az esetekre is, amikor egy pont képe olyan ferde egyenesen van, amely a lencse középpontján az optikai tengellyel szöget zár be. Az optikai tengelyre merőleges síkot, amely a lencse fókuszában helyezkedik el, fókuszsíknak nevezzük .
A konvergáló lencsék bármelyik oldalról a tárgyra irányíthatók, aminek eredményeként a lencsén áthaladó sugarak az egyik és a másik oldalról is összegyűjthetők. Így az objektívnek két fókusza van - elöl és hátul . Az optikai tengelyen helyezkednek el a lencse mindkét oldalán, a lencse fő pontjaitól gyújtótávolságra.
A technikában gyakran használják a lencse ( nagyító ) nagyításának fogalmát, amelyet 2×, 3× stb.-ként jelölnek. Ebben az esetben a nagyítást a képlet határozza meg (ha közel nézzük az objektívhez). Hol van a gyújtótávolság, a legjobb látás távolsága (középkorú felnőttnél kb. 25 cm) [21] [22] . 25 cm-es gyújtótávolságú objektívnél a nagyítás 2×. 10 cm-es gyújtótávolságú objektívnél a nagyítás 3,5×.
Az optikában "vékonynak" nevezik azt a lencsét, amelynek vastagságát nullának tekintik. Egy ilyen objektív esetében nem két fősíkot mutatunk be , hanem egyet, amelyben az elülső és a hátsó rész úgy tűnik, hogy összeolvad.
Tekintsük egy tetszőleges irányú sugárút felépítését vékony konvergáló lencsében. Ehhez a vékony lencse két tulajdonságát használjuk:
Tekintsünk egy tetszőleges irányú SA sugarat, amely az A pontban esik az objektívre. Szerkesszük meg a terjedésének egyenesét a lencsében történő törés után. Ehhez az SA-val párhuzamos és a lencse O optikai középpontján áthaladó OB nyalábot készítünk. A lencse első tulajdonsága szerint az OB sugár nem változtatja meg irányát és metszi a fókuszsíkot a B pontban. A lencse második tulajdonsága szerint a vele párhuzamos SA nyalábnak a törés után metszenie kell a fókuszsíkot. ugyanazon a ponton. Így a lencsén való áthaladás után az SA nyaláb az AB útvonalat fogja követni.
Hasonló módon más sugarak is megszerkeszthetők, például az SPQ sugár.
Jelöljük a lencse és a fényforrás közötti SO távolságot u-val, a lencse és a sugarak fókuszpontja közötti OD távolságot v-vel, az OF gyújtótávolságot f-vel. Vezessünk egy képletet ezekre a mennyiségekre.
Tekintsünk két hasonló háromszögpárt: és , és . Írjuk fel az arányokat
Az első arányt elosztva a másodikkal, azt kapjuk
Miután a kifejezés mindkét részét elosztjuk v-vel, és átrendezzük a kifejezéseket, elérkezünk a végső képlethez
hol a vékony lencse gyújtótávolsága.
A sugarak útja a lencserendszerben ugyanazokkal a módszerekkel van kialakítva, mint az egyetlen lencse esetében.
Tekintsünk egy két lencséből álló rendszert, amelyek közül az egyik OF, a másik O 2 F 2 gyújtótávolságú . Megépítjük az első lencse SAB útvonalát, és folytatjuk az AB szegmenst, amíg be nem lép a második lencsébe a C pontban.
Az O 2 pontból AB-vel párhuzamos O 2 E sugarat készítünk . A második lencse fókuszsíkjának keresztezésekor ez a sugár E pontot adja. A vékony lencse második tulajdonsága szerint az AB nyaláb a második lencsén való áthaladás után a CE utat követi. Ennek a vonalnak a metszéspontja a második lencse optikai tengelyével a D pontot adja, ahol az S forrásból kilépő és mindkét lencsén áthaladó összes sugár fókuszálódik.
A lencsék jellemzőinek leírásakor figyelembe vették azt az elvet, hogy a lencse fókuszában lévő fénypont képét készítsék el. Az objektívre balról érkező sugarak a hátsó fókuszon, a jobbról érkezők pedig az elülső fókuszon haladnak át. Meg kell jegyezni, hogy az eltérő objektívekben a hátsó fókusz az objektív előtt található, az elülső pedig mögötte.
Egy bizonyos alakú és méretű objektum képének lencse általi felépítése a következőképpen érhető el: tegyük fel, hogy az AB vonal az objektívtől bizonyos távolságra elhelyezkedő objektum, amely jelentősen meghaladja a fókusztávolságát. A tárgy minden pontjáról a lencsén keresztül megszámlálhatatlan számú sugár fog áthaladni, amelyek közül az áttekinthetőség kedvéért az ábra csak három sugár lefutását mutatja sematikusan.
Az A pontból kiinduló három sugár áthalad a lencsén, és metszi egymást az A 1 B 1 megfelelő eltűnési pontjaiban, és képet alkot. A kapott kép valódi és fordított .
Ebben az esetben a képet a konjugált fókuszban kaptuk valamilyen FF fókuszsíkban, némileg eltávolítva az F'F' fő fókuszsíktól, ezzel párhuzamosan haladva a főfókuszon keresztül.
Az alábbiakban az objektívtől különböző távolságra elhelyezett tárgyak képeinek elkészítésének különböző eseteit mutatjuk be.
Könnyen belátható, hogy amikor egy tárgy a végtelenből az objektív elülső fókuszába közelít, a kép eltávolodik a hátsó fókusztól, és amikor a tárgy eléri az elülső fókuszsíkot, attól a végtelenben van.
Ennek a mintának nagy jelentősége van a különböző típusú fényképészeti munkák gyakorlatában, ezért a tárgy és az objektív, illetve az objektív és a képsík távolsága közötti kapcsolat meghatározásához ismerni kell a képlet alapképletét . lencse .
A tárgy pontja és a lencse közepe, valamint a kép pontja és a lencse közepe közötti távolságot konjugált gyújtótávolságnak nevezzük .
Ezek a mennyiségek kölcsönösen függenek egymástól, és a vékony lencse képletének nevezett képlet határozza meg (először Isaac Barrow szerezte meg ):
hol van a lencse és a tárgy távolsága; az objektív és a kép közötti távolság; az objektív fő gyújtótávolsága. Vastag lencse esetén a képlet változatlan marad azzal a különbséggel, hogy a távolságokat nem a lencse középpontjától, hanem a fő síkoktól mérjük .
Egy vagy másik ismeretlen mennyiség megtalálásához két ismert mennyiséggel a következő egyenleteket használjuk:
Megjegyzendő, hogy a , , mennyiségek előjeleit a következő szempontok alapján választjuk ki: egy valós tárgy valós képéhez konvergáló lencsében mindezek a mennyiségek pozitívak. Ha a kép képzeletbeli, akkor a távolságot negatívnak veszi, ha a tárgy képzeletbeli , akkor a távolság negatív, ha a lencse divergál, a fókusztávolság negatív.
A lineáris nagyítás (az előző rész ábrájához) a kép méretének és a tárgy megfelelő méretének aránya. Ez az arány törtként is kifejezhető , ahol a lencse és a kép közötti távolság; a lencse és a tárgy távolsága.
Itt van egy lineáris növekedési együttható, vagyis egy szám, amely megmutatja, hogy a kép lineáris méretei hányszor kisebbek (nagyobbak), mint az objektum tényleges lineáris méretei.
A számítások gyakorlatában sokkal kényelmesebb ezt az arányt vagy értékekkel kifejezni , ahol az objektív gyújtótávolsága.
.
Az objektív gyújtótávolsága a következő képlettel számítható ki:
, ahola lencse anyagának törésmutatója , a lencsét körülvevő közeg törésmutatója,
- a lencse gömbfelületei közötti távolság az optikai tengely mentén , más néven a lencse vastagsága ,
annak a felületnek a görbületi sugara, amely közelebb van a fényforráshoz (távolabb a fókuszsíktól),
annak a felületnek a görbületi sugara, amely távolabb van a fényforrástól (közelebb a fókuszsíkhoz),
Ebben a képletben ugyanis a sugár előjele pozitív, ha a felület konvex, és negatív, ha konkáv. Ellenkezőleg, pozitív, ha a lencse homorú, és negatív, ha konvex. Ha a gyújtótávolságához képest elhanyagolható, akkor egy ilyen lencsét vékonynak nevezünk , és a gyújtótávolsága a következőképpen érhető el:
Ezt a képletet vékony lencse képletnek is nevezik . A gyújtótávolság konvergáló lencséknél pozitív, divergáló objektíveknél negatív. Az értéket a lencse optikai teljesítményének nevezzük . A lencse optikai teljesítményét dioptriában mérjük, melynek mértékegysége m −1 . Az optikai teljesítmény a környezet törésmutatójától is függ .
Ezeket a képleteket úgy kaphatjuk meg, hogy a Snell-törvény segítségével alaposan átgondoljuk az objektív képalkotási folyamatát , ha az általános trigonometrikus képletekről áttérünk a paraxiális közelítésre . Ezenkívül a vékony lencse képletének levezetéséhez célszerű háromszög prizmára cserélni, majd ennek a prizmának az elhajlási szögére vonatkozó képletet használni [23] .
A lencsék szimmetrikusak, azaz azonos gyújtótávolságúak a fény irányától függetlenül - balra vagy jobbra, ami azonban nem vonatkozik más jellemzőkre, például aberrációkra , amelyek nagysága attól függ. a lencse melyik oldalán van a fény felé fordítva.
A lencséket egymással kombinálva összetett optikai rendszereket lehet létrehozni. Egy két lencséből álló rendszer optikai teljesítménye az egyes lencsék optikai teljesítményének egyszerű összegeként kereshető (feltéve, hogy mindkét lencse vékonynak tekinthető, és közel vannak egymáshoz, ugyanazon a tengelyen):
.Ha a lencsék egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el, és a tengelyük egybeesik (egy tetszőleges számú lencsét tartalmazó rendszert nevezzük központosított rendszernek), akkor a teljes optikai teljesítményük kellő pontossággal meghatározható következő kifejezés:
,ahol a lencsék fősíkjai közötti távolság .
A modern optikai eszközökben magas követelményeket támasztanak a képminőséggel szemben.
Az egyszerű objektív által adott kép számos hiányosság miatt nem felel meg ezeknek a követelményeknek. A legtöbb hiányosság kiküszöbölése több lencse megfelelő kiválasztásával érhető el egy központosított optikai rendszerben - egy objektívben . Az optikai rendszerek hátrányait aberrációknak nevezzük , amelyek a következő típusokra oszthatók:
A polimerek lehetővé teszik olcsó aszférikus lencsék előállítását öntéssel .
A lágy kontaktlencséket a szemészet területén hoztak létre . Előállításuk kétfázisú anyagok felhasználásán alapul, amelyek szerves szilícium vagy szerves szilícium -szilícium polimer és hidrofil hidrogél polimer töredékeit kombinálják . A több mint 20 éves munka eredményeképpen az 1990-es évek végén kifejlesztették a szilikon-hidrogél lencséket , amelyek a hidrofil tulajdonságok és a magas oxigénáteresztő képesség kombinációja miatt 30 napon keresztül, éjjel-nappal folyamatosan használhatók. [24]
A kvarcüveg szilícium-dioxidból álló egykomponensű üveg , amely elenyésző (körülbelül 0,01% vagy kevesebb) Al 2 O 3 , CaO és MgO szennyeződést tartalmaz. Nagy termikus stabilitása és sok vegyszerrel szembeni inertsége jellemzi, kivéve a hidrogén-fluoridot .
Az átlátszó kvarcüveg jól átereszti az ultraibolya és a látható fénysugarakat .
A szilícium jól átereszti az 1-9 μm hullámhosszúságú infravörös sugárzást, magas törésmutatója van (n = 3,42 = 6 μm-nél), ugyanakkor a látható tartományban teljesen átlátszatlan [25] . Ezért az infravörös tartományhoz használható lencsék gyártásához használják.
Ezenkívül a szilícium tulajdonságai és a feldolgozásának modern technológiái lehetővé teszik lencsék létrehozását az elektromágneses hullámok röntgentartományához [26] .
Többrétegű dielektromos bevonattal a lencse felületén jelentősen csökkenthető a fényvisszaverődés és ennek eredményeként az áteresztőképesség növelése.Az ilyen lencsék könnyen felismerhetők az ibolya fénypontokról: nem tükröznek zöldet, visszaverik a vöröset, ill. kék, ami összességében ibolyát ad. A Szovjetunióban készült fényképészeti berendezések objektíveinek túlnyomó többsége, beleértve a háztartási objektíveket is, bevonattal készült.
A lencsék a legtöbb optikai rendszer elterjedt optikai elemei .
A lencsék hagyományos felhasználása a távcső , távcső , optikai irányzék , teodolit , mikroszkóp , fotó- és videóberendezés . Az egyszeres konvergáló lencséket nagyítóként használják .
A lencsék másik fontos alkalmazási területe a szemészet , ahol nélkülük lehetetlen korrigálni a látáskárosodást - rövidlátást , túllátást , helytelen elhelyezést , asztigmatizmust és más betegségeket. A lencséket olyan eszközökben használják, mint a szemüvegek és kontaktlencsék . A lencséknek is van egy alfaja, éjszakai lencsék . Merevebb alappal rendelkeznek, és kizárólag alvás közben, átmeneti nappali látásjavításra használják.
A rádiócsillagászatban és a radarban gyakran használnak dielektromos lencséket a rádióhullámok vételi antennába történő összegyűjtésére vagy a célpontra való fókuszálására.
A plutónium atombombák tervezése során a pontforrásból ( detonátor ) származó gömb alakú széttartó lökéshullám gömb alakú konvergálóvá alakításához különböző detonációs sebességű (azaz eltérő törésmutatójú) robbanóanyagokból készült lencserendszereket alkalmaztak.