Lenti e loro proprietà. lenti ottiche

Una lente è una parte ottica realizzata in materiale trasparente (vetro ottico o plastica) e dotata di due superfici rifrangenti lucide (piatte o sferiche). La lente più antica trovata dagli archeologi a Nimrud ha circa 3.000 anni.

Ciò suggerisce che le persone fin dai tempi più antichi erano interessate all'ottica e hanno cercato di usarla per creare varie apparecchiature che aiutassero nella vita di tutti i giorni. L'esercito romano utilizzava lenti per accendere il fuoco sul campo e l'imperatore Nerone utilizzava uno smeraldo concavo come rimedio alla sua miopia.

Nel corso del tempo, l'ottica è stata strettamente integrata nella medicina, il che ha consentito la creazione di dispositivi per la correzione della vista come oculari, occhiali e lenti a contatto. Inoltre, le lenti stesse sono ampiamente utilizzate in varie tecnologie di alta precisione, che hanno permesso di cambiare radicalmente le idee di una persona sul mondo che lo circonda.

Cos'è una lente, quali proprietà e caratteristiche ha?

Qualsiasi lente in una sezione può essere rappresentata come due prismi posti uno sopra l'altro. A seconda del lato in cui sono in contatto tra loro, anche l'effetto ottico della lente sarà diverso, così come il suo aspetto (convesso o concavo).

Considera cos'è un obiettivo in modo più dettagliato. Ad esempio, se prendiamo un pezzo di normale vetro di una finestra, i cui bordi sono paralleli, otterremo una distorsione dell'immagine visibile del tutto insignificante. Cioè, un raggio di luce che entra nel vetro verrà rifratto e, dopo aver attraversato la seconda faccia ed essere entrato nell'aria, restituirà il valore precedente dell'angolo con un leggero spostamento, che dipende dallo spessore del vetro. Ma se i piani di vetro sono ad angolo l'uno rispetto all'altro (ad esempio, come in un prisma), il raggio, indipendentemente dal suo angolo, dopo aver colpito questo corpo di vetro, verrà rifratto e uscirà alla sua base. Questa regola, che consente di controllare il flusso luminoso, è la base di tutti gli obiettivi. Vale la pena notare che tutte le caratteristiche degli obiettivi e dei dispositivi ottici si basano su di essi.

Quali sono i tipi di lenti in fisica?

Esistono solo due tipi principali di lenti: concave e convesse, dette anche divergenti e convergenti. Permettono di dividere il fascio di luce o viceversa di concentrarlo in un punto ad una certa lunghezza focale.

Una lente convessa ha bordi sottili e un centro più spesso, rendendo più facile vedere attraverso
rappresentato come due prismi collegati da basi. Questa caratteristica consente di raccogliere tutti i raggi di luce che cadono da diverse angolazioni in un punto al centro. Erano questi dispositivi che i romani usavano per accendere il fuoco, poiché i raggi focalizzati della luce solare permettevano di creare una temperatura molto elevata su una piccola area di un oggetto infiammabile.

In quali dispositivi e a cosa servono le lenti?

Sin dai tempi antichi, le persone sanno cos'è una lente. Questo dettaglio fu utilizzato nei primi occhiali apparsi intorno al 1280 in Italia. Successivamente furono creati cannocchiali, telescopi, binocoli e molti altri dispositivi, che consistevano in molte lenti diverse e consentivano di espandere significativamente le capacità dell'occhio umano. I microscopi sono stati costruiti secondo gli stessi principi, che hanno avuto un impatto significativo sullo sviluppo della scienza nel suo insieme.

I primi televisori erano dotati di enormi lenti che ingrandivano l'immagine.
da schermi in miniatura e ha permesso di esaminare l'immagine in modo più dettagliato. Tutte le apparecchiature video e fotografiche, a partire dai primissimi apparecchi, sono dotate di obiettivi. Sono installati nell'obiettivo in modo che l'operatore o il fotografo possa mettere a fuoco o ingrandire/ridurre l'immagine nell'inquadratura.

La maggior parte dei telefoni cellulari odierni dispone di fotocamere con messa a fuoco automatica che utilizzano obiettivi miniaturizzati che consentono di scattare foto nitide di oggetti che si trovano a un paio di centimetri o diversi chilometri di distanza dall'obiettivo del dispositivo.

Non dimenticare i moderni telescopi spaziali (come Hubble) e i microscopi da laboratorio, anch'essi dotati di lenti ad alta precisione. Questi dispositivi danno all’umanità l’opportunità di vedere ciò che prima era inaccessibile alla nostra visione. Grazie a loro possiamo studiare il mondo che ci circonda in modo più dettagliato.

Cos’è una lente a contatto e perché è necessaria?

Le lenti a contatto sono piccole lenti trasparenti realizzate in morbido o
materiali rigidi destinati ad essere indossati direttamente sull'occhio per correggere la vista. Furono disegnati da Leonardo da Vinci nel 1508, ma furono realizzati solo nel 1888. Inizialmente, le lenti erano realizzate solo con materiali duri, ma nel tempo sono stati sintetizzati nuovi polimeri che hanno permesso di creare lenti morbide, quasi impercettibili nell'uso quotidiano.

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L'applicazione più importante della rifrazione della luce è l'uso di lenti, solitamente in vetro. Nella figura vedi le sezioni trasversali di varie lenti. Lente chiamato corpo trasparente delimitato da superfici sferiche o piano-sferiche. Qualsiasi lente che sia più sottile al centro che ai bordi, nel vuoto o nel gas, lente divergente. Al contrario, qualsiasi lente che sia più spessa al centro che ai bordi lo farà lente convergente.

Per chiarimenti fare riferimento ai disegni. A sinistra, si mostra che i raggi che viaggiano paralleli all'asse ottico principale della lente convergente, dopo che questa "convergono", passando per il punto F - valido obiettivo principale lente convergente. A destra è mostrato il passaggio dei raggi luminosi attraverso una lente divergente parallela al suo asse ottico principale. I raggi dopo la lente "divergono" e sembrano provenire dal punto F', chiamato immaginario obiettivo principale lente divergente. Non è reale, ma immaginario perché i raggi di luce non lo attraversano: lì si intersecano solo le loro immaginarie (immaginarie) estensioni.

Nella fisica scolastica, solo il cosiddetto lenti sottili, che, indipendentemente dalla loro simmetria "sezionale", hanno sempre due fuochi principali situati a uguale distanza dalla lente. Se i raggi sono diretti ad angolo rispetto all'asse ottico principale, troveremo molti altri fuochi nella lente convergente e/o divergente. Questi, trucchi secondari, saranno posizionati lontano dall'asse ottico principale, ma sempre in coppia a uguale distanza dall'obiettivo.

Una lente non può solo raccogliere o diffondere i raggi. Utilizzando gli obiettivi, è possibile ottenere immagini ingrandite e ridotte degli oggetti. Ad esempio, grazie ad una lente convergente, si ottiene sullo schermo un'immagine ingrandita e invertita di una statuetta dorata (vedi figura).

Gli esperimenti mostrano: appare un'immagine distinta, se l'oggetto, l'obiettivo e lo schermo si trovano a determinate distanze l'uno dall'altro. A seconda di essi, le immagini possono essere invertite o dritte, ingrandite o ridotte, reali o immaginarie.

La situazione in cui la distanza d dall'oggetto all'obiettivo è maggiore della sua lunghezza focale F, ma inferiore alla doppia lunghezza focale 2F, è descritta nella seconda riga della tabella. Questo è esattamente ciò che osserviamo con la statuina: la sua immagine è reale, invertita e ingrandita.

Se l'immagine è reale, può essere proiettata su uno schermo. In questo caso l'immagine sarà visibile da qualsiasi punto della stanza da cui è visibile lo schermo. Se l'immagine è immaginaria, allora non può essere proiettata sullo schermo, ma può essere vista solo con l'occhio, posizionandola in un certo modo rispetto all'obiettivo (bisogna guardarci “dentro”).

Le esperienze lo dimostrano le lenti divergenti danno un'immagine virtuale diretta ridotta a qualsiasi distanza dall'oggetto all'obiettivo.

Una lente è una parte ottica delimitata da due superfici rifrangenti, che sono le superfici di corpi di rivoluzione, una delle quali può essere piana. Le lenti sono generalmente di forma rotonda, ma possono anche essere rettangolari, quadrate o di altra configurazione. Di norma, le superfici rifrangenti di una lente sono sferiche. Vengono utilizzate anche superfici asferiche, che possono avere la forma di superfici di rivoluzione di un'ellisse, iperbole, parabola e curve di ordine superiore. Inoltre esistono lenti le cui superfici fanno parte della superficie laterale del cilindro, dette cilindriche. Vengono inoltre utilizzate lenti toriche con superfici aventi curvatura diversa in due direzioni tra loro perpendicolari.

Come parti ottiche singole, le lenti non vengono quasi mai utilizzate nei sistemi ottici, ad eccezione delle semplici lenti di ingrandimento e delle lenti di campo (collettive). Di solito vengono utilizzati in varie combinazioni complesse, come due o tre lenti incollate e set di più lenti singole e incollate.

A seconda della forma si distinguono lenti collettive (positive) e divergenti (negative). Il gruppo di lenti convergenti comprende solitamente lenti in cui il centro è più spesso dei bordi, e il gruppo di lenti divergenti comprende lenti i cui bordi sono più spessi del centro. Va notato che questo è vero solo se l'indice di rifrazione del materiale della lente è maggiore di quello dell'ambiente. Se l'indice di rifrazione della lente è inferiore, la situazione sarà invertita. Ad esempio, una bolla d'aria nell'acqua è una lente diffondente biconvessa.

Gli obiettivi sono caratterizzati, di regola, dal loro potere ottico (misurato in diottrie), o lunghezza focale, nonché dall'apertura. Per la costruzione di dispositivi ottici con aberrazione ottica corretta (principalmente aberrazione cromatica dovuta alla dispersione della luce, acromatici e apocromatici), sono importanti anche altre proprietà delle lenti / dei loro materiali, ad esempio l'indice di rifrazione, il coefficiente di dispersione, la trasmittanza dell'aberrazione ottica materiale nel campo ottico selezionato.

A volte le lenti/sistemi ottici delle lenti (rifrattori) sono progettati specificamente per l'uso in mezzi con un indice di rifrazione relativamente alto.

Tipi di lenti

Collettivo:

1 – biconvesso

2 – piatto-convesso

3 – concavo-convesso (menisco positivo)

Dispersione:

4 -- biconcavo

5 – piatto-concavo

6 -- convesso-concavo (menisco negativo)

Una lente convesso-concava è chiamata menisco e può essere convergente (si ispessisce verso il centro) o divergente (si ispessisce verso i bordi). Il menisco, i cui raggi superficiali sono uguali, ha un potere ottico pari a zero (utilizzato per la correzione della dispersione o come lente di copertura). Quindi, le lenti degli occhiali miopi sono solitamente menischi negativi. Una proprietà distintiva di una lente convergente è la capacità di raccogliere i raggi incidenti sulla sua superficie in un punto situato sull'altro lato della lente.

Gli elementi principali dell'obiettivo

NN - l'asse ottico principale - una linea retta che passa attraverso i centri delle superfici sferiche che limitano l'obiettivo; O - centro ottico - un punto che, per lenti biconvesse o biconcave (con gli stessi raggi superficiali), si trova sull'asse ottico all'interno della lente (nel suo centro).

Se un punto luminoso S è posto ad una certa distanza davanti alla lente convergente, allora un raggio di luce diretto lungo l'asse passerà attraverso la lente senza essere rifratto, e i raggi che non passano per il centro verranno rifratti verso la lente ottica asse e si intersecano su di esso in un punto F, che sarà l'immagine del punto S. Questo punto è chiamato fuoco coniugato, o semplicemente fuoco.

Se sulla lente cade la luce proveniente da una sorgente molto distante, i cui raggi possono essere rappresentati come viaggianti in un raggio parallelo, all'uscita della lente i raggi verranno rifratti con un ampio angolo e il punto F si avvicinerà alla lente. lente sull'asse ottico. In queste condizioni, il punto di intersezione dei raggi che escono dalla lente è chiamato fuoco principale F, e la distanza dal centro della lente al fuoco principale è chiamata lunghezza focale principale.

I raggi incidenti su una lente divergente, uscendo da essa, verranno rifratti verso i bordi della lente, cioè saranno dispersi. Se questi raggi continuano nella direzione opposta come mostrato nella figura dalla linea tratteggiata, allora convergeranno in un punto F, che sarà il fuoco di questa lente. Questo focus sarà immaginario.

Quanto detto a proposito della messa a fuoco sull'asse ottico principale vale anche per i casi in cui l'immagine di un punto si trova su un asse ottico secondario o inclinato, cioè su una linea passante per il centro della lente ad angolo rispetto all'asse ottico principale. asse ottico. Il piano perpendicolare all'asse ottico principale, situato nel fuoco principale dell'obiettivo, è chiamato piano focale principale, mentre nel fuoco coniugato semplicemente piano focale.

Le lenti di raccolta possono essere dirette verso l'oggetto da qualsiasi lato, in modo che i raggi che passano attraverso la lente possano essere raccolti dall'uno o dall'altro lato di esso. Pertanto, l'obiettivo ha due fuochi: anteriore e posteriore. Si trovano sull'asse ottico su entrambi i lati dell'obiettivo.

1) L'immagine può essere immaginario O valido. Se l'immagine è formata dai raggi stessi (cioè l'energia luminosa entra in un dato punto), allora è reale, ma se non dai raggi stessi, ma dalle loro continuazioni, allora dicono che l'immagine è immaginaria (l'energia luminosa non non inserire il punto indicato).

2) Se la parte superiore e inferiore dell'immagine sono orientate in modo simile all'oggetto stesso, l'immagine viene chiamata diretto. Se l'immagine è capovolta, viene chiamata inverso (invertito).

3) L'immagine è caratterizzata dalle dimensioni acquisite: ingrandita, ridotta, uguale.

Immagine in uno specchio piano

L'immagine in uno specchio piatto è immaginaria, diritta, di dimensioni uguali all'oggetto, situata dietro lo specchio alla stessa distanza dell'oggetto davanti allo specchio.

lenti a contatto

L'obiettivo è un corpo trasparente delimitato su entrambi i lati da superfici curve.

Esistono sei tipi di lenti.

Raccolta: 1 - biconvesso, 2 - piatto-convesso, 3 - convesso-concavo. Scattering: 4 - biconcavo; 5 - piano-concavo; 6 - concavo-convesso.

lente convergente

lente divergente

Caratteristiche delle lenti.

NN- l'asse ottico principale - una linea retta che passa attraverso i centri delle superfici sferiche che limitano la lente;

O- centro ottico - un punto che, per lenti biconvesse o biconcave (con gli stessi raggi superficiali), si trova sull'asse ottico all'interno della lente (nel suo centro);

F- il fuoco principale dell'obiettivo - il punto in cui viene raccolto un raggio di luce, che si propaga parallelamente all'asse ottico principale;

DI- lunghezza focale;

N"N"- asse laterale della lente;

F"- messa a fuoco laterale;

Piano focale: un piano passante per il fuoco principale perpendicolare all'asse ottico principale.

Il percorso dei raggi nella lente.

Il raggio che passa attraverso il centro ottico della lente (O) non subisce rifrazione.

Un raggio parallelo all'asse ottico principale, dopo la rifrazione, passa attraverso il fuoco principale (F).

Il raggio che passa attraverso il fuoco principale (F), dopo la rifrazione, va parallelo all'asse ottico principale.

Un raggio che corre parallelo all'asse ottico secondario (N"N") passa attraverso il fuoco secondario (F").

formula delle lenti.

Quando usi la formula della lente, dovresti usare correttamente la regola dei segni: +F- lente convergente; -F- lente divergente; +d- l'oggetto è valido; -D- un oggetto immaginario; +f- l'immagine del soggetto sia valida; -F- l'immagine dell'oggetto è immaginaria.

Si chiama il reciproco della lunghezza focale di una lente potenza ottica.

Ingrandimento trasversale- il rapporto tra la dimensione lineare dell'immagine e la dimensione lineare dell'oggetto.

I moderni dispositivi ottici utilizzano sistemi di lenti per migliorare la qualità dell'immagine. Il potere ottico di un sistema di lenti messe insieme è pari alla somma dei loro poteri ottici.

1 - cornea; 2 - iride; 3 - albuginea (sclera); 4 - coroide; 5 - strato di pigmento; 6 - macchia gialla; 7 - nervo ottico; 8 - retina; 9 - muscolo; 10 - legamenti del cristallino; 11 - lente; 12 - allievo.

Il cristallino è un corpo simile a una lente e adatta la nostra visione a diverse distanze. Nel sistema ottico dell'occhio si chiama messa a fuoco di un'immagine sulla retina alloggio. Nell'uomo l'accomodamento avviene a causa di un aumento della convessità del cristallino, effettuato con l'ausilio dei muscoli. Ciò modifica il potere ottico dell'occhio.

L'immagine di un oggetto che cade sulla retina è reale, ridotta, invertita.

La distanza di visione migliore dovrebbe essere di circa 25 cm e il limite di visione (punto lontano) è all'infinito.

Miopia (miopia) Un difetto della vista in cui l'occhio vede in modo sfocato e l'immagine è focalizzata davanti alla retina.

Lungimiranza (ipermetropia) Un difetto visivo in cui l'immagine è focalizzata dietro la retina.

Tutti sanno che un obiettivo fotografico è costituito da elementi ottici. La maggior parte degli obiettivi fotografici utilizza gli obiettivi come tali elementi. Le lenti di un obiettivo fotografico si trovano sull'asse ottico principale, formando lo schema ottico dell'obiettivo.

Lente ottica sferica - è un elemento omogeneo trasparente, limitato da due superfici sferiche oppure una sferica e l'altra piana.

Nei moderni obiettivi fotografici trovano largo impiego, inoltre, asferico lenti la cui forma superficiale è diversa da una sfera. In questo caso, possono esserci superfici paraboliche, cilindriche, toriche, coniche e altre superfici curve, nonché superfici di rivoluzione con un asse di simmetria.

Il materiale per la fabbricazione delle lenti può essere costituito da vari tipi di vetro ottico, nonché da plastica trasparente.

L’intera varietà di lenti sferiche può essere ridotta a due tipologie principali: Assembramento(o positivo, convesso) e Dispersione(o negativo, concavo). Le lenti convergenti al centro sono più spesse che ai bordi, al contrario le lenti diffondenti al centro sono più sottili che ai bordi.

Nelle lenti convergenti, i raggi paralleli che la attraversano vengono focalizzati in un punto dietro la lente. Nelle lenti divergenti, i raggi che attraversano la lente vengono dispersi ai lati.

malato. 1. Lenti collettive e divergenti.

Solo le lenti positive possono produrre immagini di oggetti. Nei sistemi ottici che danno un'immagine reale (in particolare le lenti), le lenti divergenti possono essere utilizzate solo insieme a quelle collettive.

In base alla forma della sezione trasversale, si distinguono sei tipi principali di lenti:

1. lenti convergenti biconvesse;
2. lenti convergenti piano-convesse;
3. lenti convergenti concavo-convesse (menischi);
4. lenti diffondenti biconcave;
5. lenti diffondenti piano-concave;
6. lenti diffondenti convesse-concave.

malato. 2. Sei tipi di lenti sferiche.

Le superfici sferiche della lente possono avere diverse curvatura(grado di convessità/concavità) e diversi spessore assiale.

Diamo un'occhiata a questi e ad alcuni altri concetti in modo più dettagliato.

malato. 3. Elementi di una lente biconvessa

Nella Figura 3 si può vedere la formazione di una lente biconvessa.

• C1 e C2 sono i centri delle superfici sferiche che delimitano la lente, come vengono chiamate centri di curvatura.
• R1 e R2 sono i raggi delle superfici sferiche della lente o raggi di curvatura.
• Si chiama la linea che collega i punti C1 e C2 asse ottico principale lenti a contatto.
• Vengono chiamati i punti di intersezione dell'asse ottico principale con le superfici della lente (A e B). vertici della lente.
• Distanza dal punto UN al punto B chiamato spessore della lente assiale.

Se un fascio parallelo di raggi luminosi viene diretto verso l'obiettivo da un punto situato sull'asse ottico principale, quindi, dopo averlo attraversato, si riuniranno nel punto F, che si trova anche sull'asse ottico principale. Questo punto si chiama obiettivo principale lenti e la distanza F dall'obiettivo a questo punto - lunghezza focale principale.

malato. 4. Messa a fuoco principale, piano focale principale e lunghezza focale dell'obiettivo.

Aereo MN perpendicolare all'asse ottico principale e passante per il fuoco principale piano focale principale. Qui è dove si trova la matrice fotosensibile o la pellicola fotosensibile.

La lunghezza focale di una lente dipende direttamente dalla curvatura delle sue superfici convesse: minore è il raggio di curvatura (cioè maggiore è il rigonfiamento), minore è la lunghezza focale.