4.4 Лещи. Лъчева пътека
Пречупването на светлината се използва широко в различни оптични инструменти: фотоапарати, бинокли, телескопи, микроскопи. . . Незаменима и най-съществена част от подобни устройства е обективът.
Лещата е оптически прозрачно хомогенно тяло, ограничено от двете страни от две сферични (или една сферична и една плоска) повърхности.
Лещите обикновено са изработени от стъкло или специална прозрачна пластмаса. Говорейки за материала на обектива, ще го наречем стъкло, това не играе особена роля.
4.4.1 Двойно изпъкнала леща
Помислете първо за леща, ограничена от двете страни от две изпъкнали сферични повърхности (фиг. 4.16). Такава леща се нарича двойноизпъкнала леща. Нашата задача сега е да разберем хода на лъчите в тази леща.
A 0 D
Ориз. 4.16. Пречупване в двойноизпъкнала леща
Най-простата ситуация е с лъч, движещ се по главната оптична ос на оста на симетрия на лещата. На фиг. 4.16 този лъч напуска точката A 0 . Главната оптична ос е перпендикулярна на двете сферични повърхности, така че този лъч преминава през лещата, без да се пречупва.
Сега нека вземем лъч AB, който върви успоредно на главната оптична ос. В точката B на лъча, падащ върху лещата, се начертава нормалата MN към повърхността на лещата; тъй като лъчът преминава от въздух към оптично по-плътно стъкло, ъгълът на пречупване CBN е по-малък от ъгъла на падане ABM. Следователно пречупеният лъч BC се доближава до главната оптична ос.
В точката C на излизане на лъча от лещата също се изчертава нормален P Q. Лъчът преминава в оптически по-малко плътен въздух, така че ъгълът на пречупване QCD е по-голям от ъгъла на падане P CB; лъчът се пречупва към главната оптична ос и я пресича в точка D.
Така всеки лъч, успореден на главната оптична ос, след пречупване в лещатасе доближава до главната оптична ос и я пресича. На фиг. 4.17 показва модела на пречупване на достатъчно широк светлинен лъч, успореден на главната оптична ос.
Ориз. 4.17. Сферична аберация в двойноизпъкнала леща
Както можете да видите, широк светлинен лъч не се фокусира от лещата: колкото по-далеч е падащият лъч от главната оптична ос, толкова по-близо до лещата той пресича главната оптична ос след пречупване. Това явление се нарича сферична аберация и се отнася до недостатъците на лещите, тъй като все пак бихме искали лещата да намали паралелния сноп от лъчи до една точка 5 .
Много приемливо фокусиране може да се постигне чрез използване на тесен светлинен лъч, минаващ близо до главната оптична ос. Тогава сферичната аберация е почти незабележима, вижте фиг. 4.18.
Ориз. 4.18. Фокусиране на тесен лъч със събирателна леща
Ясно се вижда, че тесен лъч, успореден на главната оптична ос, след преминаване през лещата се събира приблизително в една точка F. Поради тази причина нашата леща се нарича
5 Прецизното фокусиране на широк лъч наистина е възможно, но за това повърхността на лещата трябва да има по-сложна форма, а не сферична. Шлифоването на такива лещи отнема време и е непрактично. По-лесно е да направите сферични лещи и да се справите с възникващата сферична аберация.
Между другото, аберацията се нарича сферична именно защото възниква в резултат на замяна на оптимално фокусираща сложна несферична леща с проста сферична.
Точка F се нарича фокус на лещата. Като цяло лещата има два фокуса, разположени на главната оптична ос отдясно и отляво на лещата. Разстоянията от фокусите до лещата не са непременно равни едно на друго, но винаги ще имаме работа със ситуации, в коитофокусите са разположени симетрично по отношение на лещата.
4.4.2 Биконкавна леща
Сега ще разгледаме съвсем различна леща, ограничена от две вдлъбнати сферични повърхности (фиг. 4.19). Такава леща се нарича двойновдлъбната леща. Точно както по-горе, ще проследим хода на два лъча, ръководени от закона за пречупване.