Как работает линза: Оптические линзы | Физика — Главная

Содержание

Оптические линзы | Физика

Прозрачные тела, у которых хотя бы одна поверхность искривлена, называются линзами. Чаще всего бывают линзы, симметричные относительно оптической оси. Оптические особенности линзы зависят от радиуса и вида искривления.

Собирающая линза

У выпуклых, или собирающих, линз середина толще, чем края. Параллельный пучок света, например, солнечный луч, падает на выпуклую линзу. Линза собирает пучок света в фокусе F. Расстояние от средней плоскости до фокуса называется фокусным расстоянием линзы f. Чем оно короче, тем больше оптическая сила линзы. Эта сила измеряется в диоптриях.

Возьмем линзу с фокусным расстоянием 0.5 метра. Тогда оптическая сила линзы равна единице, деленной на фокусное расстояние: 1/0.5 м = 2 диоптрии.

Рассеивающая линза

Вогнутые или рассеивающие линзы — это такие линзы, у которых толщина краев больше, чем толщина посередине.

В этом случае, параллельный пучок света будет рассеиваться. При этом будет казаться, что луч света выходит из одной точки, которая называется мнимым фокусом. Фокусное расстояние в данном случае будет отрицательно и соответственно оптическая сила рассеивающей линзы тоже будет отрицательна.

Возьмем линзу с фокусным расстоянием -0.25 метра. Тогда оптическая сила будет равна: 1/-0.25 = -4 диоптрии.

Принцип построения изображения собирающей линзой

Собирающая линза дает действительное изображение. Только оно будет перевернуто вверх ногами.

Если мы хотим получить более точное изображение, то, зная длину фокуса, мы можем построить это изображение. Для этого нам необходимы три луча.

Луч, распространяющийся параллельно оптической оси, преломляющийся в линзе и проходящий через фокус, называется параллельным лучом.

Луч, проходящий через центр линзы, называется основным лучом. Он не преломляется.

Луч, который проходит перед линзой через фокус и затем распространяется параллельно оптической оси, называется фокусным лучом.

В той точке, где пересекаются все три луча, будет наиболее четкое изображение.

Если расстояние от предмета до линзы очень велико, то расстояние от изображения этого предмета до линзы будет намного меньше, т.е. изображение будет уменьшенным.

Если расстояние от предмета в два раза больше фокусного расстояния, то изображение будет такого же размера, как и сам предмет, и находится оно будет на двойном фокусном расстоянии за линзой.

Если приблизить предмет к фокусу, то мы получим увеличенное изображение, находящееся на большом расстоянии по другую сторону линзы.

Если предмет находится прямо в фокусе или еще ближе к линзе, то мы получим нечеткое изображение.

Как работают контактные линзы | CooperVision Russia

История контактных линз и коррекции зрения, которую мы получаем с их помомощью – это отдельный и интересный предмет для разговора.

В мире существует постоянная потребность в коррекции зрения. Приблизительно 168,5 миллионов жителей США используют такие средства для коррекции зрения, как очки или контактные линзы. И это более половины населения Америки!

Все больше и больше людей предпочитают носить контактные линзы для коррекции зрения. Начиная с 1991 года, число людей, использующих контактные линзы, увеличивается на 4% в год. Причины, по которым люди отказываются от очков в пользу контактных линз, обусловлены потребностями образа жизни или косметическими соображениями.

Что делают контактные линзы?

Контактные линзы — это небольшие линзы, которые находятся в «контакте» с глазами. Они предназначены для коррекции нарушения рефракции и поддержания здоровья глаз. Линзы находятся в слёзной пленке на роговице.

Современные контактные линзы — это маленькие линзы, надеваемые на роговицу глаза. Однако их функция подобна функции обычных очков — рефракция и фокус света для четкого восприятия предметов. Но поскольку линзы находятся в слёзной пленке на поверхности глаза, они двигаются вместе с глазом.

И это одно из преимуществ контактных линз перед очками.

Виды контактных линз

Контактные линзы бывают разными. Они доступны в различных формах и предназначены для различных целей. Они различаются по модальности, или, другими словами, частоте их замены, например, замена каждый день, каждые две недели, каждый месяц и т.д. А также различаются в зависимости от того, какое нарушение рефракции коррегируют, например, контактные линзы для коррекции астигматизма, близорукости или дальнозоркости и других нарушений.

Контактные линзы имеют разную оптическую силу или «диоптрии». Если вы носите контактные линзы, прочитаете информацию на коробке или в рецепте. Вы увидите перед цифрой знак «плюс» или «минус». Опуская многочисленные подробности, эти знаки обозначают форму линз. Разная форма коррегирует разлные проблемы со зрением.

Торические линзы, нижняя часть которых более толстая, коррегируют астигматизм. Сферические линзы, которые отличаются равномерностью по всем направлениям, коррегируют близорукость и дальнозоркость. Также существуют контактные линзы для коррекции методом моновижн, бифокальные и мультифокальные линзы.

История создания контактных линз

Понятие контактных линз существует значительно дольше, чем многие люди могут себе представить.

Наряду с другими современными устройствами, Леонардо да Винчи нарисовал в своем воображении концепцию контактных линз в 1508 году. В 1636 году Рене Декарт выполнил эскиз контактных линз. Позднее в 1801 году ученый по имени Томас Юнг стал первым, кто надел контактные линзы, тогда они фиксировались на глазах при помощи воска!

Да, усовершенствование комфорта контактных линз происходило длительное время.

Мягкие контактные линзы

В 1971 году миру были официально представлены мягкие контактные линзы, возвестив о начале новой эры после жестких контактных линз.

Однодневные контактные линзы

Следующим главным открытием в технологии производтства контактных линз был выпуск первых одноразовых контактных линз в 1988 году.

Через восемь лет в 1996 году появились однодневные контактные линзы.

Силикон-гидрогелевые контактные линзы

Теперь у нас есть силикон-гидрогелевые контактные линзы, которые обеспечивают бОльший комфорт и могут использоваться более длительный период времени в сравнении со своими предшественниками.

Цветные контактные линзы

Вы когда-нибудь хотели, чтобы ваши глаза стали другого или более насыщенного цвета? Теперь все в ваших руках, даже если вам не требуется коррекция зрения.

Косметические контактные линзы могут усилить насыщенностть цвета ваших глаз и даже изменить его. Сюда также относятся линзы с нулевой оптической силой. (Прочитайте больше о косметических контактных линзах). Существуют даже черные контактные линзы, подходящие к карнавальному костюму на Хеллоуин. Поскольку контактные линзы являются изделием медицинского назначения, необходимо обратиться к врачу-офтальмологу перед использованием цветных контактных линз.

Не зависимо то того, какая коррекция зрения вам необходима, у нас есть контактные линзы для того, чтобы удовлетворить ваши потребности.

Какой же следующий виток в развитии контактных линз? Продолжайте следить за новостями!

Настоящая статья не содержит медицинских консультаций и не заменяет рекомендаций специалиста. Для обсуждения конкретных вопросов, обратитесь к врачу-офтальмологу.

Цилиндрические линзы: основные характеристики и применение

Цилиндрические, также плоско-выпуклые линзы – разновидность линз, особенность которых – наличие оси, в направлении которой оптическое действие не проявляется. В направлении, перпендикулярном оси, линза действует как обычная сферическая.

Сферические линзы широко применяются для коррекции астигматических аберраций, в лазерных нивелирах и для продольного увеличения изображения.

Рисунок 1. Проекции цилиндрической линзы

Рисунок 2. Цилиндрическая прямоугольная линза

Рисунок 3.

Цилиндрическая линза удлиненной формы

Разработка лазерного нивелира требует знания эффективного фокусного расстояния. Инженерные расчеты ведутся по следующим формулам:

где θ – веерный угол пучка, x – необходимое расстояние, L – заданное рабочее расстояние в сантиметрах.
Веерный угол позволяет рассчитать длину линии на заданном рабочем расстоянии:

Рисунок 4. К расчету параметров лазерного нивелира

Эффективное фокусное расстояние можно рассчитать по радиусу входного пучка:

Рисунок 5. К уравнению расчета эффективного фокусного расстояния

Погрешности, аберрации, спецификация

Так как при обработке не представляется возможным получить абсолютно точные детали и всегда имеет место отступление с различной степенью погрешности размеров, формы, взаимного расположения и чистоты поверхности, то для обеспечения качественной работы машины или механизма на чертежах оптических деталей указываются допустимые погрешности или допуски на изготовление.

Клиновидность

У идеальной цилиндрической линзы плоская грань параллельна оси вращения цилиндра, у реальной из-за погрешностей при производстве между осью вращения и плоскостью возникает некоторый угол (рис. 6). Соответствующая погрешность называется «допуском на клиновидность» и выражается в угловой мере. Клиновидность вызывает отклонения, сферичность и хроматизм выходного волнового фронта.

Рисунок 6. Иллюстрация измерения допуска на клиновидность цилиндрической линзы

Отклонение кривизны

Главная оптическая ось идеальной цилиндрической линзы параллельна двум плоским граням цилиндрической линзы, в реальности существует допустимое отклонение кривизны. Допуск обоснован назначением линзы и согласованный с показателями качества материала по оптической неоднородности и двулучепреломлению.

Рисунок 7. Иллюстрация измерения допуска на децентрировку в цилиндрической линзе

Децентрировка

Оптической осью называют линию, соединяющую центры кривизны сферической поверхности линзы. Геометрическая ось является осью симметрии боковой поверхности линзы. В правильно изготовленной линзе геометрическая и оптическая ось совпадают, такие линзы называют центрированными. В децентрированной линзе оптическая и геометрическая оси не совпадают и могут занимать различное положение одна относительно другой (рис. 8).
Децентрировка вызывает смещение изображения относительно геометрической оси линзы, поперечный хроматизм, кому, астигматизм. Допуск на децентрировку определяют из условия допустимого волнового хроматизма, выражают в долях миллиметра.

Рисунок 8. Центрированная (слева) и децентрированная (справа) цилиндрическая линза

Приложения

Цилиндрические линзы широко применяют в качестве очковых линз для исправления астигматизма, в лабораторных исследованиях: велосиметрии частиц, лазерной индуцированной флуоресценции. Кроме этого, цилиндрические линзы используются в таких системах, где нужно получить изображение в виде тонких протяженных линий: лазерные нивелиры, сканеры. Сочетание цилиндрической линзы с лазерным диодом позволяет получить коллимированный пучок с симметричным по форме волновым фронтом.

Формирование изображений в виде тонкой протяженной линии

Лазерный уровень – устройство для получения вертикальной или горизонтальной линии разметки для выполнения строительно-монтажных работ. Уровни применяются на улице и в помещениях для разметочных работ, контроля ровности поверхностей. В лазерных нивелирах установлена пара коллиматорных цилиндрических линз, позволяющая построить световую линию (рис. 9). Каждая линза действует на одну ось, X или Y, комбинация обеих линз создает такое распределение амплитуды.

Рисунок 9. Применение цилиндрических линз в линейных лазерных нивелирах

Получение сферических пучков

Для описания структуры поля светового пучка, формируемого лазерным диодом, широко применяется модель гауссова пучка. Обычно предполагается, что такие пучки обладают симметрией вращения вокруг оптической оси. На практике, однако, световой пучок имеет в поперечном сечении не круглую, а эллиптическую форму. Такие пучки называются эллиптическими. С помощью цилиндрических линз, рабочие оси которых расположены ортогонально друг другу, можно достичь симметрии (сферичности) волнового фронта. Для этого соотношение фокусных расстояний двух линз должно соответствовать отношению между амплитудами излучения вдоль осей X и Y. Как и при стандартной коллимации, диод следует расположить в фокусе обеих линз.

Рисунок 10. Пример преобразования эллиптического пучка в сферический

Излучение от лазерных диодов может иметь очень большую расходимость, что затрудняет подбор коллимационной оптики. Расходимость напрямую влияет на пространственные размеры системы. Поскольку фокусное расстояние фиксировано, положения каждого компонента жестко закреплены.
Для такой схемы можно рассчитать максимальный диаметр пучка d, проходящего через объектив, по известному фокусному расстоянию объектива f и угла расходимости θ. Чистая апертура каждой линзы должна быть больше максимального диаметра пучка.

Пример

Преобразование эллиптического пучка с исходными параметрами: большая полуось 4 мм, меньшая 1 мм. Нужно получить сферический пучок с радиусом 4 мм, то есть увеличить меньшую полуось в 4 раза. Сила увеличения системы из двух линз с известными фокусными расстояниями рассчитывается по формуле:

Цилиндрические линзы позволяют снизить расходимость пучка, сохраняют параллельность, что особенно важно при переносе излучения на длинные дистанции.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

Тонкие линзы

Определение 1

Линза – это прозрачное тело, имеющая 2 сферические поверхности. Она, является тонкой, если ее толщина меньше радиусов кривизны сферических поверхностей.

Линза — это составляющая часть почти каждого оптического прибора. Линзы бывают по своему определению собирающие и рассеивающие (рис. 3.3.1).

Определение 2

Собирающая линза — это линза, которая в середине толще, чем по краям.

Определение 3

Линза, имеющая большую толщину по краям, называется рассеивающей.

Рисунок 3.3.1. Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы и их условные обозначения.

Определение 4

Главная оптическая ось – это прямая, которая проходит через центры кривизны O1 и O2 сферических поверхностей.

В тонкой линзе главная оптическая ось пересекается в одной точке – оптическом центре линзы O. Световой луч проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от своего первоначального направления.

Определение 5

Побочные оптические оси – это прямые, проходящие через оптический центр.

Определение 6

Если к линзе направить пучок лучей, которые расположены параллельно главной оптической оси, тогда после прохождения через линзу лучи (либо их продолжения) сосредоточатся в одной точке F.

Эта точка получила название главный фокус линзы.

Тонкая линза имеет два главных фокуса, которые располагаются симметрично на главной оптической оси по отношению к линзе.

Определение 7

Фокус собирающей линзы – действительный, а у рассеивающей – мнимый.

Пучки лучей, параллельные одной из всей совокупности побочных оптических осей, после прохождения через линзу тоже нацелены на точку F’, расположенную на пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф.

Определение 8

Фокальная плоскость – это плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус (рис. 3.3.2).

Определение 9

Расстояние между главным фокусом F и оптическим центром линзы О, называется фокусным (F).

Рисунок 3.3.2. Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах. O1 и O2 – центры сферических поверхностей, O1O2 – главная оптическая ось, О – оптический центр, F – главный фокус, F’ – фокус, OF’ – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость.

Главным свойством линз является способность передавать изображения предметов. Они, в свою очередь, бывают:

Действительные и мнимые;
Прямые и перевернутые;
Увеличенные и уменьшенные.

Построение изображения в линзах

Геометрические построения помогают определить положение изображения, а также его характер. Для этой цели применяют свойства стандартных лучей, направление которых определено. Это лучи, которые проходят через оптический центр либо один из фокусов линзы, и лучи, параллельно расположенные главной либо одной из побочных оптических осей. Рисунки 3.3.3 и 3.3.4 демонстрируют данные построения.

Рисунок 3.3.3. Построение изображения в собирающей линзе.

Рисунок 3.3.4. Построение изображения в рассеивающей линзе.

Стоит выделить то, что стандартные лучи, использованные на рисунках 3.3.3 и 3.3.4 для построения изображений, не проходят через линзу. Данные лучи не используются в построении изображения, но могут быть использованы в этом процессе.

Определение 10

Для расчета положения изображения и его характера используется формула тонкой линзы. Если записать расстояние от предмета до линзы как d, а от линзы до изображения как f, то формула тонкой линзы имеет вид:

1d+1f+1F=D.

Определение 11

Величина D – это оптическая сила линзы, равная обратному фокусному расстоянию.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание Определение 12

Диоптрия (дптр) является единицей измерения оптической силы, фокусное расстояние которой равно 1 м: 1 дптр=м-1.

Формула тонкой линзы аналогична формуле сферического зеркала. Можно вывести ее для параксиальных лучей из подобия треугольников на рисунках 3.3.3 либо 3.3.4.

Фокусное расстояние линз записывается с определенными знаками: собирающая линза F>0, рассеивающая F<0.

Величина d и f тоже подчиняются определенным знакам:

d>0 и f>0 – применительно к действительным предметам (то есть реальным источникам света) и изображений;
d<0 и f<0 – применительно к мнимым источникам и изображениям.

Для случая на рисунке 3.3.3F>0 (линза собирающая), d=3F>0 (действительный предмет).

Из формулы тонкой линзы получаем: f=32F>0, означает, что изображение действительное.

Для случая на рисунке 3.3.4F<0 (линза рассеивающая), d=2|F|>0 (действительный предмет), справедлива формула f=-23F<0, следовательно, изображение мнимое.

Линейные размеры изображения зависят от положения предмета по отношению к линзе.

Определение 13

Линейное увеличение линзы Г – это отношение линейных размеров изображения h’ и предмета h.

Величину h’ удобно записывать со знаками плюс или минус, в зависимости от того, прямое оно или перевернутое. Она всегда положительна. Потому для прямых изображений применяется условие Γ>0, для перевернутых Γ<0. Из подобия треугольников на рисунках 3.3.3 и 3.3.4 нетрудно вывести формулу для расчета линейного увеличения тонкой линзы:

Г=h’h=-fd.

В примере с собирающей линзой на рисунке 3.3.3 при d=3F>0, f=32F>0.

Значит, Г=-12<0 – изображение перевернутое и уменьшенное в два раза.

В примере с рассеивающей линзой на рисунке 3.3.4 при d=2|F|>0, справедлива формула f=-23F<0; значит, Г=13>0 – изображение прямое и уменьшенное в три раза.

Оптическая сила D линзы находится в зависимости от радиусов кривизны R1 и R2, ее сферических поверхностей, а также и от показателя преломления n материала линзы. В теории оптики имеет место следующее выражение:

D=1F=(n-1)1R1+1R2.

Выпуклая поверхность имеет положительный радиус кривизны, а вогнутая поверхность – отрицательным. Данная формула применима в изготовлении линз с заданной оптической силой.

Многие оптические приборы устроены таким образом, что свет последовательно проходит через 2 или несколько линз. Изображение предмета от 1-й линзы служит предметом (действительным или мнимым) для 2-й линзы, выстраивающей, в свою очередь, 2-е изображение предмета, которое также может быть действительным либо мнимым. Расчет оптической системы из 2-х тонких линз состоит в
2-кратном применении формулы линзы, причем расстояние d2 от 1-го изображения до 2-й линзы следует предложить равное величине l–f1, где l – это расстояние между линзами.

Вычисленная, по формуле линзы, величина f2 предопределяет положение 2-го изображения, а также его характер (f2>0 – действительное изображение, f2<0 – мнимое). Общее линейное увеличение Γ системы из 2-х линз равняется произведению линейных увеличений 2-х линз, то есть Γ=Γ1·Γ2. Если предмет либо его изображение находятся в бесконечности, тогда линейное увеличение не имеет смысла.

Астрономическая труба Кеплера и земная труба Галилея

Рассмотрим частный случай – телескопический ход лучей в системе из 2-х линз, когда и предмет, и 2-е изображение расположены на бесконечно больших расстояниях друг от друга. Телескопический ход лучей выполняется в зрительных трубах: земной трубе Галилея и астрономической трубе Кеплера.

Тонкая линза имеет некоторые недостатки, которые не позволяют получать изображения высокого разрешения.

Определение 14

Аберрация – это искажение, которое возникает в процессе формирования изображения. В зависимости от расстояния, на котором проводится наблюдение, аберрации могут быть сферическими и хроматическими.

Смысл сферической аберрации в том, что при широких световых пучках лучи, находящиеся на далеком расстоянии от оптической оси, пересекают ее не в месте фокуса. Формула тонкой линзы действует лишь для лучей, которые находятся близко к оптической оси. Изображение удаленного источника, которое создается широким пучком лучей, преломленных линзой, размыто.

Смысл хроматической аберрации в том, что на показатель преломления материала линзы влияет длина световой волны λ. Данное свойство прозрачных сред называют дисперсией. Фокусное расстояние линзы различно для света с различными длинами волн. Данный факт приводит к размытию изображения при излучении немонохроматического света.

Современные оптические приборы оснащены не тонкими линзами, а сложными линзовыми системами, в которых есть возможность исключить некоторые искажения.

В таких приборах, как фотоаппараты, проекторы и т.д., используются собирающие линзы для формирования действительных изображений предметов.

Что представляет собой фотоаппарат

Определение 15

Фотоаппарат – это замкнутая светонепроницаемая камера, в которой изображение запечатленных предметов создается на пленке системой линз – объективом. На время экспозиции объектив открывается и закрывается с помощью специального затвора.

Особенность работы фотоаппарата в том, что на плоской фотопленке получаются довольно резкие изображения предметов, которые находятся на различных расстояниях. Резкость меняется вследствие перемещения объектива относительно фотопленки. Изображения точек, которые не лежат в плоскости резкого наведения, выходят на снимках размытыми в виде рассеянных кружков. Размер d данных кружков можно уменьшить методом диафрагмирования объектива, то есть уменьшения относительного отверстия aF, как показано на рисунке 3. 3.5. Это в результате увеличивает глубину резкости.

Рисунок 3.3.5. Фотоаппарат.

С помощью проекционного аппарата удается снять масштабные изображения. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D) на удаленном экране Э (рисунок 3.3.6). Система линз K (конденсор) используется для концентрации света источника S на диапозитиве. На экране воссоздается увеличенное перевернутое изображение. Масштаб проекционного устройства можно изменять, приближая или отдаляя экран и одновременно изменяя расстояние между диапозитивом D и объективом O.

Рисунок 3.3.6. Проекционный аппарат.

Рисунок 3.3.7. Модель тонкой линзы.

Рисунок 3.3.8. Модель системы из двух линз.

Двояковыпуклая линза — это… Что такое Двояковыпуклая линза?

Плоско-выпуклая линза

Линза (нем. Linse, от лат. lens — чечевица) — обычно — диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями — сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н. «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы.

Линзами 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 коэффициентом 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 звёзд в ночном небе).
Гравитационная линза — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами.
Электростатическая линза — электрическое поле, сформированное таким образом, чтобы фокусировать пучок электронов, например, в электронном микроскопе.
Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем.

В качестве материала линз, чаще всего, используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

История

Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана «Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали огонь.

Из произведений Плиния Старшего (23 — 79) следует, что такой способ разжигания огня был известен и в Римской империи — там также описан, возможно, первый случай применения линз для коррекции зрения — известно, что Нерон смотрел гладиаторские бои через вогнутый изумруд для исправления близорукости.

Сенека (3 до н. э. — 65) описал увеличительный эффект, который даёт стеклянный шар, заполненный водой.

Арабский математик Альхазен (965—1038) написал первый значительный трактат по оптике, описывающий, как хрусталик глаза создаёт изображение на сетчатке. Линзы получили широкое использование лишь с появлением очков примерно в 1280-х годах в Италии.

Характеристики тонких линз

В зависимости от форм различают собирательные (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, 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 пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.

Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света, — ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз/их материалов, например, коэффициент преломления, коффициент 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 (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

Виды линз:
Собирающие:
1 — двояковыпуклая
2 — плоско-выпуклая
3 — вогнуто-выпуклая (положительный мениск)
Рассеивающие:
4 — двояковогнутая
5 — плоско-вогнутая
6 — выпукло-вогнутая (отрицательный мениск)

Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине) или рассеивающей (утолщается к краям). Мениск, у которого радиусы поверхностей равны, имеет оптическую силу, равную нулю (применяется для коррекции дисперсии или как покровная линза). Так, линзы очков для близоруких — как правило, отрицательные мениски.

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Основные элементы линзы: NN — главная 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 её центре).
Примечание. Ход лучей показан, как в идеализированной (плоской) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела фаз. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется главным фокусом F’, а расстояние от центра линзы до главного фокуса — главным фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв 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

Сказанное о фокусе на главной оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на побочной или наклонной оптической оси, т. е. линии, проходящей через центр линзы под углом к главной оптической оси. Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси, расположенная в главном фокусе линзы, называется главной фокальной плоскостью, а в сопряжённом фокусе — просто фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от центра линзы.

Построение изображения тонкой собирающей линзой

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа — через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения предметов, имеющих определённую форму и размеры, получается следующим образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором расстоянии от линзы, значительно превышающем её фокусное расстояние. От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A₁B₁, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым.

В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Далее приведены различные случаи построения изображений предмета, помещённого на различных расстояниях от линзы.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

Если предмет приближён к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным, перевёрнутым и уменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным, перевёрнутым и равным по величине предмету.

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным, перевёрнутым и увеличенным.

Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.

Если предмет поместить на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, то лучи выйдут из линзы расходящимся пучком, нигде не пересекаясь. Изображение при этом получается мнимое, прямое и увеличенное, т. е. в данном случае линза работает как лупа.

Нетрудно заметить, что при приближении предмета из бесконечности к переднему фокусу линзы изображение удаляется от заднего фокуса и по достижении предметом плоскости переднего фокуса оказывается в бесконечности от него.

Эта закономерность имеет большое значение в практике различных видов фотографических работ, поэтому для определения зависимости между расстоянием от предмета до линзы и от линзы до плоскости изображения необходимо знать основную формулу линзы.

Формула тонкой линзы

Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы называются сопряжёнными фокусными расстояниями.

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы:

где — расстояние от линзы до предмета; — расстояние от линзы до изображения; — главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей.

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин u, v, f выбираются исходя из следующих соображений — для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе — все эти величины положительны. Если изображение мнимое — расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый — расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая — фокусное расстояние отрицательно.

Масштаб изображения

Масштабом изображения () называется отношение линейных размеров изображения к соответствующим линейным размерам предмета. Это отношение может быть косвенно выражено дробью , где — расстояние от линзы до изображения; — расстояние от линзы до предмета.

Здесь есть коэффициент уменьшения, т. е. число, показывающее во сколько раз линейные размеры изображения меньше действительных линейных размеров предмета.

В практике вычислений гораздо удобнее это соотношение выражать в значениях или , где — фокусное расстояние линзы.

Расчёт фокусного расстояния и оптической силы линзы

Значение фокусного расстояния для линзы может быть рассчитано по следующей формуле:

, где

— коэффициент преломления материала линзы,

— расстояние между сферическими поверхностями линзы вдоль оптической оси, также известное как толщина линзы. Если намного меньше, чем R₁ и R₂, то такая линза называется тонкой, и её фокусное расстояние можно найти как:

(Эту формулу также называют формулой тонкой линзы.) Величина фокусного расстояния положительна для собирающих линз, и отрицательна для рассеивающих. Величина называется оптической силой линзы. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях, единицами измерения которых являются м⁻¹.

Указанные формулы могут быть получены аккуратным рассмотрением процесса построения изображения в линзе с использованием закона Снелла, если перейти от общих тригонометрических формул к параксиальному приближению.

Линзы симметричны, то есть они имеют одинаковое фокусное расстояние независимо от направления света — слева или справа, что, однако, не относится к другим характеристикам, например, аберрациям, величина которых зависит от того, какой стороной линза повёрнута к свету.

Комбинация нескольких линз (центрированная система)

Линзы могут комбинироваться друг с другом для построения сложных оптических систем. Оптическая сила системы из двух линз может быть найдена как простая сумма оптических сил каждой линзы (при условии, что обе линзы можно считать тонкими и они расположены вплотную друг к другу на одной оси):

Если линзы расположены на некотором расстоянии друг от друга и их оси совпадают (система из произвольного числа линз, обладающих таким свойством, называется центрированной системой), то их общую оптическую силу с достаточной степенью точности можно найти из следующего выражения:

где — расстояние между главными плоскостями линз.

Недостатки простой линзы

В современной фотоаппаратуре к качеству изображения предъявляются высокие требования.

Изображение, даваемое простой линзой, в силу целого ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Устранение большинства недостатков достигается соответствующим подбором ряда линз в центрированную оптическую систему — объектив. Изображения, полученные при помощи простых линз, имеют различные недостатки. Недостатки оптических систем называются аберрациями, которые делятся на следующие виды:

Линзы со специальными свойствами

Линзы из органических полимеров

Полимеры дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья.

Линзы контактные

В области офтальмологии созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении материалов, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Работа в течении более 20 лет привела к созданию в конце 90-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно. ^[1]

Линзы из кварца

Кварцевое стекло — переплавленный чистый кремнезём с незначительными (около 0,01 %) добавками Al₂О₃, СаО и MgO. Оно отличается высокой термостойкостью и инертностью ко многим химическим реактивам за исключением плавиковой кислоты.

Прозрачное кварцевое стекло хорошо пропускает ультрафиолетовые и видимые лучи света.

Линзы из кремния

Кремний сочетает сверхвысокую дисперсию с самым большим абсолютным значением коэффициента преломления n=3,4 в диапазоне ИК-излучения и полной непрозрачностью в видимом диапазоне спектра.^[2]

Кроме того, именно свойства кремния и новейшие технологии его обработки позволили создать линзы для рентгеновского диапазона электромагнитных волн.

Применение линз

Линзы являются универсальным оптическим элементом большинства оптических систем.

Традиционное применение линз — бинокли, телескопы, оптические прицелы, теодолиты, микроскопы и фотовидеотехника. Одиночные собирающие линзы используются как увеличительные стёкла.

Другая важная сфера применения линз офтальмология, где без них невозможно исправление недостатков зрения — близорукости, дальнозоркости, неправильной аккомодации, астигматизма и других заболеваний. Линзы используют в таких приспособлениях, как очки и контактные линзы.

В радиоастрономии и радарах часто используются диэлектрические линзы, собирающие поток радиоволн в приёмную антенну, либо фокусирующие на цели.

В конструкции плутониевых ядерных бомб для преобразования сферической расходящейся ударной волны от точечного источника (детонатора) в сферическую сходящуюся применялись линзовые системы, изготовленные из взрывчатки с разной скоростью детонации (то есть с разным коэффициентом преломления).

См. также

Примечания

Ссылки

Литература

Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
Оптика, Г. С. Ландсберг, изд. 5-ое, М., Наука, 1976.
Политехнический словарь, глав.ред. А. Ю. Ишлинский, изд. 3-е, М., Советская Энциклопедия, 1989.
Линза // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.

Wikimedia Foundation. 2010.

Что дает длиннофокусная линза в лазерном станке

Длиннофокусная линза в лазерном станке является конечным пунктом оптического маршрута, который проходит лазер. Излучение зарождается в лазерной трубке, заполненной углекислотной газовой смесью, затем проходит через систему отражающих зеркал и только после этого попадает на линзу, которая перенаправляет поток к рабочему столу и сводит его в точку на поверхности обрабатываемого материала.

Что такое фокусная линза?

Линзы для фокусировки представляют собой небольшую лупу, плоскую с одной стороны и выпуклую с другой (вогнуто-выпуклые модели тоже встречаются, но используются реже). Самыми популярными материалами для изготовления лазерных линз служат арсенид галия (GaAs) и селенид цинка (ZnSe). Оба соединения отличаются устойчивостью к механическим воздействиям и высокотемпературным нагрузкам, однако, оптика из арсенида галия считается более долговечной.

Ассортимент фокусировочных линз для лазерного станка включает в себя изделия из нескольких видов материалов, с различными типами напыления, а также разным диаметром и степенью выпуклости

Лазерный поток, как уже упоминалось, попадает на линзу и постепенно сужается с ее помощью до светового пятна на рабочем поле станка. Точка с наименьшим диаметром называется фокусом, а расстояние до нее, соответственно, фокусным расстоянием. В месте фокусировки лазерный луч достигает максимальной интенсивности и может за один проход разрезать любой неметаллический материал (допустимая толщина обрабатываемой поверхности зависит от мощности излучателя).

Длиннофокусная и короткофокусная линза: в чем разница?

Принцип фокусировки луча при помощи линзы, где D — диаметр потока, f — фокусное расстояние, d — диаметр светового пятна и 2z — зона каустики

Лазерный станок — это универсальное оборудование, которое позволяет резать и гравировать материалы, причем, луч будет одинаково точно и быстро работать как с тонкой папиросной бумагой, так и с фанерой максимально возможной толщины. Однако для корректной работы излучение должно быть правильно сфокусировано, иначе лазер будет недорезать материал, пережигать его, могут возникнуть искажения в воспроизведении изображения и прочие дефекты. Чтобы избежать этого необходимо правильно подобрать линзу, которая может быть короткофокусной, длиннофокусной или среднефокусной (универсальная). В чем же разница между первыми двумя и в каком случае используется каждый из вариантов?

Схематичное изображение различий в действии длиннофокусной и короткофокусной линз

Длиннофокусная линза (4-7,5 дюймов) — имеет большое расстояние между головкой излучателя и зоной обработки и обеспечивает качественную резку толстых материалов за один проход (8-10 мм и более). Не подходит для работы с деликатными поверхностями или высокоточной гравировки, так как дает большое световое пятно. Мощность излучения в точке реза получается меньше, чем у короткофокусной в связи с тем, что его плотность распределяется по всему диаметру пятна. Вместе с тем зона каустики (протяженность максимально сфокусированного луча) у таких линз больше, что и позволяет лазеру проходить глубоко в материал, оставляя ровный, без скосов, край.

Короткофокусная линза (1-1,5 дюйма) — используется для прецизионной резки мелких элементов из тонких материалов и сверхточной гравировки, например, при изготовлении любых печатей, включая те, которые соответствуют ГОСТу. Лазерное пятно, полученное после прохода потока через короткофокусную линзу, имеет наименьший из возможных диаметр, составляющий доли миллиметра. При этом концентрация мощности излучения будет максимальной из-за большой плотности частиц.

зачем они нужны, плюсы и минусы

Рассказываем все о фотохромных линзах: как работают очки-«хамелеоны», их плюсы и минусы, а также польза для ваших глаз.

Запишись на бесплатный подбор очков

Содержание

Что такое очки-«хамелеоны»
Как выбрать очки-«хамелеоны»
Плюсы и минусы фотохромных очков
Выводы

Очки-«хамелеоны»: что это и как они работают

«Хамелеонами» принято называть очки, которые меняют цвет линз, подстраиваясь под условия освещения: на ярком солнце очки темнеют, а в помещении остаются прозрачными.

За это отвечают нанесенные на очковые линзы молекулы веществ с фотохромными свойствами. Они реагируют на воздействие ультрафиолета, именно поэтому в помещении такие очки не темнеют. При попадании ультрафиолетовых лучей на линзы фотохромные свойства активизируются, вследствие чего снижается светопропускание. Степень затемнения линз может достигать 85%.

Важны температурные условия: в жаркую погоду фотохромные очки не могут затемниться до своего максимального значения, тогда как при средней и прохладной температуре скорость и степень затемнения выше. Поэтому для отпуска в жарких странах лучше купить солнцезащитные очки с диоптриями, но в условиях города даже не до конца затемненные фотохромы защитят ваши глаза от яркого света. Помните, что «хамелеоны» реагируют на ультрафиолет, поэтому могут менять цвет и в пасмурную погоду.

Очки с фотохромными линзами объединяют в себе пользу корригирующей и солнцезащитной оптики. Это очень удобно для людей с плохим зрением, которые не могут обеспечить глазам защиту в солнечный день, потому что вынуждены носить корригирующие очки. Также фотохромные линзы рекомендованы людям со светобоязнью или тем, кто страдает от заболеваний глаз. Но подбирать очки в этом случае нужно только со специалистом.

Как выбрать очки с фотохромными линзами

Материал линз

«Хамелеонами» могут быть как стеклянные, то есть минеральные линзы, так и пластиковые, они же полимерные. И те, и другие обладают определенными плюсами и минусами, поэтому сказать, что один вариант однозначно лучше другого – нельзя.

Очки с фотохромными линзами объединяют в себе пользу корригирующей и солнцезащитной оптики

Например, пластиковые линзы обеспечивают более высокий уровень затемнения – до 85%. Молекулы фотохромных веществ в них активнее, поэтому скорость затемнения таких очков может быть немного выше, чем у стеклянных. А главное – это оптимальный выбор для людей, ведущих активный образ жизни: полимерные линзы менее травмоопасны для глаз в случае повреждения.

В то же время линзы из пластика легко царапаются, что может немного ухудшить их фотохромные свойства. Они менее устойчивы к внешнему воздействию, а значит и менее надежны.

В свою очередь стеклянные линзы справляются с рецептами любой сложности и лучше противостоят абразивному воздействию. Однако фотохромные свойства в минеральных линзах, как правило, немного ниже: максимальная степень затемнения составляет менее 70%, скорость, с который линзы меняют цвет, уступает пластику.

Не стоит забывать, что минеральные линзы, в отличие от полимерных, разлетаются на мелкие осколки при повреждении. Это в несколько раз повышает риск травмирования глаз. Если вы увлекаетесь спортом и являетесь приверженцем активного образа жизни, от линз из стекла лучше отказаться в пользу пластиковых.

Цвет затемнения

Как правило, фотохромные линзы меняют свой окрас на самые популярные и удобные в солнцезащитной оптике цвета – коричневый, серый или зеленый. Именно эти цвета являются самыми комфортными для глаз и обеспечивают наиболее естественную цветопередачу.

Некоторые производители предлагают более широкую палитру для фотохромных очков, например, сапфировый и аметистовый цвета линз-«хамелеонов».

Скорость изменения цвета

На то, как быстро очки будут подстраиваться под новые условия освещения, влияет множество факторов, в числе которых материалы линз, а также то, какие именно вещества с фотохромными свойствами используются.

В целом скорость, с которой линза меняет прозрачный цвет на максимально темный и осветляется обратно, составляет от 30 секунд до 5 минут. Как правило, линзы премиального сегмента затемняются быстрее, чем более бюджетные аналоги.

Защитные покрытия

Дополнительные покрытия позволяют не только защитить линзы от внешнего воздействия, но и создать для вас более комфортные условия использования очков. Так, например, линзы с водоотталкивающим покрытием не боятся дождя – капли быстро скатываются с очков, не оставляя мокрых следов.

Дополнительные покрытия защищают очки от повреждений и грязи

Покрытия, защищающие очки от жирных пятен и пыли, дольше остаются чистимы и требуют гораздо меньше времени на уход. Также офтальмологи рекомендуют использовать фильтр, защищающий глаза от синего спектра, источником которого являются экраны мобильных гаджетов и компьютерные мониторы.

Очень важно позаботиться о защите от ультрафиолетового воздействия. В затемненных линзах зрачок расширяется и поглощает больше света. Если не оснастить очки специальным УФ-барьером, вы рискуете здоровьем своих глаз.

Окончательный выбор покрытий лучше согласовать с врачом, который подбирает вам очки.

Фотохромные очки для водителей

Топовые производители предлагают автомобилистам фотохромные линзы, которые затемняются также и от видимого света. Они быстро подстраиваются под освещение и меняют степень затемнения до 50%, вне зависимости от того, находятся очки под прямым воздействием ультрафиолетовых лучей или нет.

Также такие линзы можно дополнить поляризационным фильтром, тогда они не только обеспечат защиту от яркого света, но и будут блокировать солнечные блики.

Срок службы

Увы, даже качественная фотохромная оптика со временем теряет свои свойства. Очки-хамелеоны рекомендовано менять примерно раз в три года. За это время ухудшаются как фотохромные, так и защитные функции, поэтому важно вовремя обновлять свою оптику.

Плюсы и минусы фотохромных линз

Начнем с преимуществ очков-хамелеонов:

«Два в одном» – очки с фотохромными линзами существенно облегчают жизнь людям, нуждающимся в коррекции зрения. Больше не нужно щуриться от солнца или носить солнцезащитные очки в ущерб хорошей видимости, очки-хамелеоны обеспечат и необходимую коррекцию, и защиту от яркого солнечного света;
Помощь людям с глазными заболеваниями и светочувствительностью – фотохромная оптика облегчает состояние людей, которые страдают от заболеваний, вызывающих повышенную чувствительность к свету. Очки, быстро адаптирующиеся к изменениям освещения, эффективно защищают глаза от болевых ощущений и дискомфорта;
Специальные линзы для водителей – очки с такими линзами реагируют не только на ультрафиолетовое излучение, но и на видимый свет, благодаря чему линзы темнеют, даже если не находятся под непосредственным воздействием солнца. Также такие очки могут блокировать блики, если их дополнительно оснастить поляризационным фильтром.

Недостатков у данной оптики меньше:

Высокая стоимость – очки, подстраивающиеся под освещение, стоят дороже, чем обычная корригирующая или солнцезащитная оптика. Однако рынок предлагает широкий выбор линз в разном ценовом сегменте, что позволяет подобрать фотохромные очки практически под любой бюджет;
Ограниченный ассортимент расцветок – в отличие от солнцезащитной и тонированной оптики, фотохромные очки имеют небольшую палитру возможных цветов затемнения.

Резюмируем

Фотохромные линзы – это спасение для людей, нуждающихся в коррекции зрения. Очки с такими линзами остаются светлыми в помещении и темнеют под воздействием солнечных лучей. «Хамелеоны» также рекомендованы людям, которые страдают от глазных заболеваний, провоцирующих светобоязнь. Но подбирать их нужно только в присутствии специалиста.

Запишись на бесплатный подбор очков

Несмотря на более высокий, в сравнении с обычными очками, ценник, фотохромную оптику можно подобрать даже под небольшой бюджет.

Как работают линзы? | Какие бывают типы линз?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 1 сентября 2020 г.

Микроскопы позволяют нам присмотреться внутри невидимых миров, которые наши глаза никогда не могли увидеть, телескопы уносят нас далеко за пределы Земли к звездам и планетам ночного неба, кинопроекторы бросают на экраны огромные изображения, а маяки бросать успокаивающие лучи света далеко за океан. Удивительные изгибы стекла или пластика, называемые линзами, делают все это возможно. Давайте подробнее рассмотрим, что они из себя представляют и как они работают!

Фото: Линзы в фарах этой машины Фокус лучи света падают на дорогу, чтобы вы могли видеть, куда собираетесь. Некоторые автомобильные фары Используйте линзы Френеля для создания мощных лучей, как маяки!

Что такое линзы?

Линза — это прозрачный кусок стекла или пластика с как минимум одним изогнутым поверхность. Он получил свое название от латинского слова «чечевица». (тип пульса, используемый в кулинарии), но пусть это вас не смущает.Для этого нет никакой реальной причины, кроме самой распространенной линза (называемая выпуклой линзой) очень похожа на чечевицу!

Фото: Чечевица дала название линзам. Выпуклый линзы выпирают посередине, как чечевица, в то время как вогнутые линзы «пещеры» в середине и выступают по краям.

Как работают линзы?

Линза работает за счет преломления: она искривляет световые лучи при их прохождении. это значит, что они меняют направление. (Вы можете прочитать полное объяснение, почему это происходит в нашей статье о свете.) Это означает, что лучи, кажется, приходят из точки, которая ближе или дальше от того места, где они на самом деле возникают — и именно поэтому предметы, видимые через линзу, кажутся либо больше, либо меньше, чем они есть на самом деле.

Типы линз

Существует два основных типа линз: выпуклые (или сходящиеся) и вогнутые (или расходящиеся).

Линзы выпуклые

В выпуклой линзе (иногда называемой положительная линза), стеклянные (или пластиковые) поверхности выпирают наружу в центре, придавая классическую чечевицеобразную форму.А выпуклая линза также называется собирающей линзой, потому что она делает проходящие через него параллельные световые лучи изгибаются внутрь и встречаются (сходятся) в точке сразу за объективом, известной как фокус.

Фото: выпуклая линза заставляет параллельные световые лучи сходиться (сходиться) в точке фокуса или фокуса. Расстояние от центра объектива до точки фокусировки — это фокусное расстояние объектива. Фокус находится на противоположной стороне линзу к той, из которой исходят световые лучи.

Выпуклые линзы используются в телескопах и биноклях для фокусировки дальних световых лучей в ваших глазах.

Вогнутые линзы

Вогнутая линза — с точностью до наоборот с внешними поверхностями, загнутыми внутрь, поэтому параллельный свет лучи изгибаются наружу или расходятся. Вот почему вогнутые линзы иногда называют расходящимися линзами. (Один из простых способов запомнить разницу между вогнутыми и выпуклыми линзами — это подумать о вогнутых линзах. линзы прогибаются внутрь.)

Фото: вогнутая линза заставляет параллельные световые лучи расходиться (распространяться) так, что кажется, что они исходят из точки. за линзой — фокус.Расстояние от центра объектива до точки фокусировки, опять же, является фокусным расстоянием объектива. Однако в этом случае, поскольку световые лучи на самом деле не исходят отсюда, мы называем это виртуальной точкой фокусировки.

Вогнутые линзы используются в телевизионных проекторах, чтобы лучи света распространялись вдаль. В фонарике эту работу проще выполнять с помощью зеркала, которое обычно весит намного меньше объектива и к тому же дешевле в производстве.

Составные линзы

Можно сделать линзы, которые ведут себя более сложным образом, совмещение выпуклых и вогнутых линз.Объектив, в котором используются две или более простые линзы в такой способ называется составной линзой.

Как измерить оптическую силу линзы?

Если вы когда-нибудь смотрели в бинокль, телескоп или увеличительное стекло стекло, ты знаешь, что некоторые линзы значительно увеличивают (или уменьшают) видимый размер объекта чем другие. Есть простое измерение, которое показывает, насколько мощным линза известна как фокусное расстояние. В фокусное расстояние линзы — это расстояние от центра линзы до точки на который фокусирует световые лучи. Чем короче фокусное расстояние, тем больше мощный объектив. (Легко понять, почему: обычное стекло было бы похоже на линза с бесконечным фокусным расстоянием и вообще не фокусировала бы световые лучи. С другой стороны, бесконечно мощная линза будет фокусировать лучи за бесконечно короткий промежуток времени. расстояние с нулевым фокусным расстоянием. Настоящая линза находится где-то между этими двумя крайностями.)

Вы найдете фокусные расстояния, записанные либо в обычные единицы длины (например, сантиметры, миллиметры или дюймов) или в специальных оптических единицах, называемых диоптриями.Диоптрийное измерение линзы обратно пропорционально фокусное расстояние в метрах (деленное на фокусное расстояние), поэтому 1 диоптрия = 1 м, 2 диоптрии = 0,5 м, 3 диоптрии = 0,33 метра и так далее. В рецептах на очки от оптиков обычно указывается сила необходимых вам корректирующих линз в диоптриях.

Фокусное расстояние — не единственная важная характеристика объектива. Больше линзы собирают больше света, чем линзы меньшего размера, поэтому они создают более яркое изображение. Это особенно важно, если вы выбираете объектив для фотоаппарата, потому что количество света, собираемого линзой, будет определять, что изображение выглядит как.Объективы фотоаппаратов обычно оцениваются по меркам называется f-числом, которое является фокусным длина деленная на диаметр. Вообще говоря, объективы с маленьким числом f делают изображение ярче. Объективы с большим числом f имеют большую глубину резкости: по сути, больше объекта, который вы фотографируете, и в то же время в центре внимания его окружение. (Если вы хотите узнать больше, взгляните на объяснение Луи Блумфилда размера линз.)

Линзы регулируемые

Фото: Объектив с регулируемым зумом цифровой камеры Canon увеличивает трехкратное (3 ×).Его фокусное расстояние изменяется в пределах 5,8–17,4 мм, что соответствует соотношению 1: 3.

Обычный объектив имеет фиксированное фокусное расстояние, поэтому он выполняет только одну работу и только одну. Но что, если вы хотите, чтобы он увеличился немного больше или сосредоточился на чем-то более близком или далеком? Наши собственные глаза (и мозг) решают эту проблему с помощью гибких линз, которые могут изменять форму под контролем маленького человека. цилиарные мышцы вокруг них; растяжение или сжатие линз изменяет их фокусное расстояние. А как насчет биноклей, телескопов и фотоаппаратов? вы хотите смотреть не всегда на одинаковом расстоянии? Для биноклей и телескопов решением является фокусирующий винт, который перемещает линзы в тубусах. ближе друг к другу или дальше друг от друга.Зум-объективы в камерах работают аналогичным образом, с несколькими объективами, которые могут быть сдвигать их вместе или в стороны, поворачивая их пальцами, или, на автоматических камерах, нажимая моторизованное управление, которое делает то же самое. Объективы с зумом, работающие таким образом, известны как оптические зум-объективы. Цифровые зумы, в цифровых фотоаппаратах, мимика тот же процесс с использованием компьютерного программного обеспечения, эффективно увеличивая меньшую часть исходного изображения (при увеличении) или с использованием большей части этого изображения (при уменьшении).В отличие от оптического увеличения, цифровое увеличение очень быстро теряет детали и смазывает изображения.

Как делаются линзы?

Фото: В этом увеличительном стекле используется одна выпуклая линза из пластика.

Пока пластмассы не стали обычным явлением в ХХ века практически все линзы производились измельчение твердых кусков стекла в разные формы. Выпуклые линзы были изготовлены с помощью шлифовального инструмента вогнутой формы (и наоборот), а затем линза грубой формы была отполирована до окончательной формы.Обычное стекло мы использование в окнах и посуде недостаточно для линз, потому что он содержит пузырьки воздуха и другие недостатки. Из-за этого световые лучи отклоняются от правильного пути, создавая нечеткое изображение. или тот, который заставляет разные цвета света вести себя по-разному (проблемы которые ученые-оптики называют аберрациями). Вместо этого линзы изготавливаются из более изысканного материала, известного как оптическое стекло. Для очков многие люди теперь предпочитаю пластиковые линзы, потому что они намного легче и безопаснее оптического стекла.Пластиковые линзы можно формовать по форме, а не шлифовать, чтобы их можно было производятся в огромных количествах гораздо дешевле, чем стеклянные линзы. Хотя обычный пластик легко царапается, он может быть покрыт тонким слоем защитного материала, такого как алмазоподобный углерод (DLC) для снижения риска повреждения. Некоторые оптические линзы также покрыты тонким пластиком, чтобы уменьшить раздражающие отражения; вы можете прочитать как эти антибликовые покрытия работают в нашей статье о тонкопленочной интерференции.

Сделайте водяную линзу!

Фото: Я сделал эту водяную линзу, вырезав небольшой кусок пластика из продуктового пакета и положив его на газета.Я налил воду очень медленно и осторожно, используя чайную ложку.

Сделайте это на кухне или в ванной, чтобы не навести беспорядок.

Возьмите старую газету или журнал, которые никому больше не нужны.
Положите небольшой кусок целлофана, пищевой пленки или прозрачного пластика на верхняя часть газеты. Вам не нужно много — может быть, кусок вдвое меньше обложки книги в мягкой обложке.
Использование пипетки, пипетки, шприца, чайной ложки или даже наконечника вашей мизинец, поместите одну небольшую каплю воды поверх пищевой пленки.
Посмотрите на газетную бумагу, и вы должны увидеть, что капля воды (имеющая изогнутый верхний край и плоский нижний край) увеличивает слова.
Молодец, вы только что сделали линзу!
Что произойдет, если вы увеличите или уменьшите каплю воды? Что, если вы оторвете пластик от бумаги и пододвинете линзу ближе или дальше от печати? Какие еще хитрости вы можете сделать, чтобы изменить способ работы вашего объектива? Как все великие ученые, воспользуйтесь возможностью поиграть и поэкспериментировать.

Для чего используются линзы?

Объективы можно найти повсюду в мире вокруг нас — от автомобильных фар до фонариков к светодиодным лампам, используемым в электронных панелях приборов.

Наши глаза содержат, наверное, самые удивительные линзы из всех. Подумайте, что происходит, когда вы смотрите на окружающий мир. В одну минуту вы смотрите в землю перед своими ногами. Через несколько секунд вы услышите самолет с криком проходит мимо, поверните голову и смотрите, как он пролетает. Делать этот трюк с биноклем и вы обнаружите, что настройка фокуса с близкого расстояния займет у вас довольно много времени (глядя на земля) далеко (наблюдая за самолетом).Попробуйте невооруженным глазом, и вы даже не заметит, что ты делаешь. Это потому, что в твоих глазах гибкие линзы, контролируемые крошечными мышцами, которые могут выпирать и , мгновенно меняя форму, чтобы сосредоточиться на чем-либо, начиная с отпечатков на ваш палец на поверхность Луны. Насколько это удивительно?

Фотографии: Маяки не используют огромные и тяжелые линзы: вместо этого они полагаются на линзы Френеля. (со ступенчатым рисунком поверхности из концентрических колец) и призмы, подобные той, что представлена на этой выставке в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.О том, как они работают, читайте в нашей статье о линзах Френеля.

У всех нас есть линзы в глазах, но многие из нас прибегают к дополнительным линзам. конец нашего носа, чтобы исправить длинное и близкое зрение: больше стекла и пластиковые линзы используются для очков и контактных линз, чем для любая другая цель. Есть все виды линз для очков, в том числе светочувствительные фотохромные, которые темнеют на солнечном свете и удваиваются как солнцезащитные очки.

Вы также найдете линзы в биноклях (которые используют две или три линзы в каждом цилиндре, обслуживающем ваши глаза) и телескопах, хотя не все микроскопы их используют.Обычные (оптические) микроскопы используйте серию стеклянных линз для увеличения крошечных объектов, в то время как сверхмощные электронные микроскопы использовать электромагниты для сгибания электронные лучи, которые помогают нам видеть еще более детально. Кинопроекторы и проекционные телевизоры используйте линзы для преобразования небольших изображений из фильмов в гигантские изображения, которые могут просматривать сразу многие люди. Камеры работают наоборот, улавливая световые лучи издалека и принося их, чтобы сосредоточиться на химически обработанной пластиковой пленке или светочувствительной электронные микросхемы, называемые ПЗС-матрицами.Вы можете даже найти линзы, встроенные в обложки журналов и книг, чтобы изображения менялись, когда вы перекладываете голова из стороны в сторону; этот хитрый трюк называется лентикулярным печать — но на самом деле это просто «печать со встроенными линзами».

Из чего сделаны линзы?

Фото: Пластиковые линзы: Вы, возможно, не заметили, но крошечные светодиоды, используемые в приборных панелях, имеют крошечные пластиковые линзы, встроенные в них, чтобы увеличивать излучаемый ими свет. Линза — это изогнутая пластиковая насадка слева (верхняя часть светодиода, которая светит на вас.)

В двух словах, стекло или пластик — хотя это еще не все.

Очевидно, нам нужно делать линзы из прозрачных вещей, которые не искажают проходящие световые лучи. через них — а материалов, которые мы могли бы использовать, на самом деле не так уж и много. Иногда производились ранние линзы из кристаллов; один из старейших известных, Линза Нимруда в англичанах Музей в Лондоне, представляет собой кусок кварца (иногда называемого «горным хрусталем»), возраст которого оценивается в 3000 лет. и, как полагают, использовалось как увеличительное или горящее стекло, хотя его оптические качества были очень бедные.Совсем недавно римский император Нерон использовал линзы из изумрудов, чтобы наблюдать за гладиаторами, сражающимися насмерть. Современные оптические инструменты, такие как очки и телескопы стало возможным, когда люди научились делать и использовать надежно качественное стекло; очки датируются примерно 13 веком, а телескопы — 17 веком. (впервые немецко-голландского Ганса Липперши).

В течение 20-го века дешевые, легкие, надежные пластмассы стали широко доступными, и в большинстве недорогих оптических устройств теперь используются пластиковые линзы (иногда называемое «органическое стекло» — изготовленное из таких материалов, как поликарбонат) вместо стеклянных. (иногда называемое «минеральным стеклом», чтобы отличить его от пластиковых эквивалентов).Одноразовые контактные линзы, например, стали возможны с появлением дешевых, массово производимых, высококачественный пластик, а если вы носите очки или держите камеру в телефоне, линзы почти наверняка будут пластиковыми.

Пластики, хотя и дешевые, безусловно, имеют свои недостатки: их оптическое качество, как правило, не такое хорошее, как у стекла, они очень легко царапаются, они легче меняют свои оптические свойства, чем стекло при изменении температуры они пропускают не все длины волн света так же хорошо, как стекло, и они не всегда так успешно изгибают свет (стекло обычно имеет более высокий показатель преломления, хотя в качестве альтернативы можно использовать специальный пластик с высоким показателем преломления, если вам нужны тонкие, легкие линзы для очков).Но не будем забывать и о недостатках стекла: оно тяжелое (например, в прочных очках). рецепты), дорогие, и они могут разбиться (так что стеклянные очки никогда не были хорошими для занятий спортом). В конце концов, у стекла и пластика есть свои плюсы и минусы. Как и во всем остальном в мире технологий, нам нужно выбирать лучший материал из возможных. для работы, которую нам необходимо выполнять в повседневных физических условиях, в которых она должна будет работать; это то что Материаловедение — это все.

Если вам понравилась эта статья…

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

У нас есть много других статей об оптике, в том числе:

Для читателей постарше

Для младших читателей

Все, что вам нужно знать об линзах и свете от Baby Professor. Speedy Publishing, 2017. Возраст 7–10.
Пути науки: свет Криса Вудфорда.Розен, 2013. Это одна из моих собственных книг, в ней описывается, как ученые поняли свет и использовали его. на протяжении всей истории. Подходит для детей от 9 до 12 лет. (Ранее опубликовано Blackbirch, 2004.)
Свет Дэвида Берни. Дорлинг Киндерсли, 1998. Введение в науку, технологию и историю света из популярной серии DK Eyewitness. Для детей 9–12 лет.

Статьи

Как производятся очковые линзы? от Zeiss, 28 марта 2018 г.Увлекательная статья, которая проводит нас через очень точный процесс создания линз для очков.
Йоханнес Худде и его линзы для микроскопов, обработанные пламенем Марвина Болта, Тимена Коквита и Майкла Кори, Journal of Glass Studies, Vol. 60 (2018), стр. 207–222. Хотя современные линзы обычно тонкие (грубо говоря, «плоские»), еще в 17 веке шаровые линзы в форме шара были гораздо более распространены.
Проблемы с линзами и решение XIX века. В этой статье из музея Уиппла Кембриджского университета объясняется, почему линзы искажают изображение и как изобретатели решили эту проблему, создав первые микроскопы.
Изобретение очков: как и где, возможно, возникли очки: Колледж оптометристов описывает историю очков в 13 веке (недатированная статья, по состоянию на июнь 2019 г.).
Кто сделал эти контактные линзы? пользователя Daniel Engber. Нью-Йорк Таймс. 13 апреля 2014 г. Идея использования искусственных (контактных) линз вместо очков появилась как минимум в 19 веке.
«Более ясное зрение после катаракты» Питера Джарета. The New York Times, 15 мая 2009 г.Хрусталики в наших глазах могут ухудшаться по мере того, как мы становимся старше, становясь мутными по мере образования катаракты. К счастью, проблему могут решить корректирующие линзы. [Архивировано через Wayback Machine.]

Другие полезные сайты

Оптика для детей: много хороших учебных материалов от Оптического общества Америки.
MusEYEum: Музей в Лондоне, Англия, управляемый Колледжем оптометристов. На сайте есть немало онлайн-экспонатов, которые стоит посетить.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2020) Линзы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/lenses.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают линзы? | Какие бывают типы линз?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 1 сентября 2020 г.

Микроскопы позволяют нам присмотреться внутри невидимых миров, которые наши глаза никогда не могли увидеть, телескопы уносят нас далеко за пределы Земли к звездам и планетам ночного неба, кинопроекторы бросают на экраны огромные изображения, а маяки бросать успокаивающие лучи света далеко за океан.Удивительные изгибы стекла или пластика, называемые линзами, делают все это возможно. Давайте подробнее рассмотрим, что они из себя представляют и как они работают!

Что такое линзы?

Как работают линзы?

Типы линз

Существует два основных типа линз: выпуклые (или сходящиеся) и вогнутые (или расходящиеся).

Линзы выпуклые

Выпуклые линзы используются в телескопах и биноклях для фокусировки дальних световых лучей в ваших глазах.

Вогнутые линзы

Составные линзы

Как измерить оптическую силу линзы?

Если вы когда-нибудь смотрели в бинокль, телескоп или увеличительное стекло стекло, ты знаешь, что некоторые линзы значительно увеличивают (или уменьшают) видимый размер объекта чем другие. Есть простое измерение, которое показывает, насколько мощным линза известна как фокусное расстояние. В фокусное расстояние линзы — это расстояние от центра линзы до точки на который фокусирует световые лучи.Чем короче фокусное расстояние, тем больше мощный объектив. (Легко понять, почему: обычное стекло было бы похоже на линза с бесконечным фокусным расстоянием и вообще не фокусировала бы световые лучи. С другой стороны, бесконечно мощная линза будет фокусировать лучи за бесконечно короткий промежуток времени. расстояние с нулевым фокусным расстоянием. Настоящая линза находится где-то между этими двумя крайностями.)

Линзы регулируемые

Как делаются линзы?

Фото: В этом увеличительном стекле используется одна выпуклая линза из пластика.

Пока пластмассы не стали обычным явлением в ХХ века практически все линзы производились измельчение твердых кусков стекла в разные формы. Выпуклые линзы были изготовлены с помощью шлифовального инструмента вогнутой формы (и наоборот), а затем линза грубой формы была отполирована до окончательной формы.Обычное стекло мы использование в окнах и посуде недостаточно для линз, потому что он содержит пузырьки воздуха и другие недостатки. Из-за этого световые лучи отклоняются от правильного пути, создавая нечеткое изображение. или тот, который заставляет разные цвета света вести себя по-разному (проблемы которые ученые-оптики называют аберрациями). Вместо этого линзы изготавливаются из более изысканного материала, известного как оптическое стекло. Для очков многие люди теперь предпочитаю пластиковые линзы, потому что они намного легче и безопаснее оптического стекла. Пластиковые линзы можно формовать по форме, а не шлифовать, чтобы их можно было производятся в огромных количествах гораздо дешевле, чем стеклянные линзы. Хотя обычный пластик легко царапается, он может быть покрыт тонким слоем защитного материала, такого как алмазоподобный углерод (DLC) для снижения риска повреждения. Некоторые оптические линзы также покрыты тонким пластиком, чтобы уменьшить раздражающие отражения; вы можете прочитать как эти антибликовые покрытия работают в нашей статье о тонкопленочной интерференции.

Сделайте водяную линзу!

Сделайте это на кухне или в ванной, чтобы не навести беспорядок.

Возьмите старую газету или журнал, которые никому больше не нужны.
Положите небольшой кусок целлофана, пищевой пленки или прозрачного пластика на верхняя часть газеты. Вам не нужно много — может быть, кусок вдвое меньше обложки книги в мягкой обложке.
Использование пипетки, пипетки, шприца, чайной ложки или даже наконечника вашей мизинец, поместите одну небольшую каплю воды поверх пищевой пленки.
Посмотрите на газетную бумагу, и вы должны увидеть, что капля воды (имеющая изогнутый верхний край и плоский нижний край) увеличивает слова.
Молодец, вы только что сделали линзу!
Что произойдет, если вы увеличите или уменьшите каплю воды? Что, если вы оторвете пластик от бумаги и пододвинете линзу ближе или дальше от печати? Какие еще хитрости вы можете сделать, чтобы изменить способ работы вашего объектива? Как все великие ученые, воспользуйтесь возможностью поиграть и поэкспериментировать.

Для чего используются линзы?

Из чего сделаны линзы?

В двух словах, стекло или пластик — хотя это еще не все.

Если вам понравилась эта статья…

Узнать больше

На этом сайте

У нас есть много других статей об оптике, в том числе:

Для читателей постарше

Для младших читателей

Все, что вам нужно знать об линзах и свете от Baby Professor. Speedy Publishing, 2017. Возраст 7–10.
Пути науки: свет Криса Вудфорда.Розен, 2013. Это одна из моих собственных книг, в ней описывается, как ученые поняли свет и использовали его. на протяжении всей истории. Подходит для детей от 9 до 12 лет. (Ранее опубликовано Blackbirch, 2004.)
Свет Дэвида Берни. Дорлинг Киндерсли, 1998. Введение в науку, технологию и историю света из популярной серии DK Eyewitness. Для детей 9–12 лет.

Статьи

Как производятся очковые линзы? от Zeiss, 28 марта 2018 г.Увлекательная статья, которая проводит нас через очень точный процесс создания линз для очков.
Йоханнес Худде и его линзы для микроскопов, обработанные пламенем Марвина Болта, Тимена Коквита и Майкла Кори, Journal of Glass Studies, Vol. 60 (2018), стр. 207–222. Хотя современные линзы обычно тонкие (грубо говоря, «плоские»), еще в 17 веке шаровые линзы в форме шара были гораздо более распространены.
Проблемы с линзами и решение XIX века. В этой статье из музея Уиппла Кембриджского университета объясняется, почему линзы искажают изображение и как изобретатели решили эту проблему, создав первые микроскопы.
Изобретение очков: как и где, возможно, возникли очки: Колледж оптометристов описывает историю очков в 13 веке (недатированная статья, по состоянию на июнь 2019 г.).
Кто сделал эти контактные линзы? пользователя Daniel Engber. Нью-Йорк Таймс. 13 апреля 2014 г. Идея использования искусственных (контактных) линз вместо очков появилась как минимум в 19 веке.
«Более ясное зрение после катаракты» Питера Джарета. The New York Times, 15 мая 2009 г.Хрусталики в наших глазах могут ухудшаться по мере того, как мы становимся старше, становясь мутными по мере образования катаракты. К счастью, проблему могут решить корректирующие линзы. [Архивировано через Wayback Machine.]

Другие полезные сайты

Оптика для детей: много хороших учебных материалов от Оптического общества Америки.
MusEYEum: Музей в Лондоне, Англия, управляемый Колледжем оптометристов. На сайте есть немало онлайн-экспонатов, которые стоит посетить.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2020) Линзы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/lenses.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работает человеческий глаз | Слои роговицы / роль

Чтобы понять кератоконус, мы должны сначала понять, как глаз позволяет нам видеть и какую роль в этом процессе играет роговица.

Просмотр видео

Световые лучи попадают в глаз через роговицу, прозрачное переднее «окно» глаза.Благодаря преломляющей способности роговицы световые лучи изгибаются таким образом, что они беспрепятственно проходят через зрачок, отверстие в центре радужной оболочки, через которое свет попадает в глаз.

Диафрагма работает как затвор в фотоаппарате. Он может увеличиваться и уменьшаться в зависимости от того, сколько света попадает в глаз.

Пройдя через радужную оболочку, лучи света проходят через естественный хрусталик глаза. Эта прозрачная гибкая структура работает как объектив в фотоаппарате, укорачивая и удлиняя ее ширину, чтобы правильно фокусировать световые лучи.

Световые лучи проходят через плотное прозрачное гелеобразное вещество, называемое стекловидным телом, которое заполняет глазное яблоко и помогает глазу сохранять свою сферическую форму.

В нормальном глазу световые лучи попадают в точку фокусировки на сетчатке. Сетчатка работает так же, как пленка в фотоаппарате. Он отвечает за улавливание всех световых лучей, преобразование их в световые импульсы через миллионы крошечных нервных окончаний, а затем отправку этих световых импульсов через более миллиона нервных волокон к зрительному нерву.

Поскольку кератоконус роговицы имеет неправильную форму и форму конуса, лучи света попадают в глаз под разными углами и фокусируются не на одной точке сетчатки, а на множестве разных точек, вызывая размытое, искаженное изображение.

Таким образом, роговица — это прозрачное переднее покрытие, пропускающее свет и запускающее процесс рефракции. Он также предотвращает попадание посторонних частиц в глаза.

Зрачок — это регулируемое отверстие, которое регулирует интенсивность света, попадающего в линзу.Хрусталик фокусирует свет через стекловидное тело — прозрачное гелеобразное вещество, которое заполняет заднюю часть глаза и поддерживает сетчатку.

Сетчатка получает изображение, которое роговица фокусирует через внутреннюю линзу глаза, и преобразует это изображение в электрические импульсы, которые передаются по зрительному нерву в мозг. Мы можем терпеть очень большие шрамы на теле, не беспокоясь только о своем тщеславии. В роговице дело обстоит иначе. Даже небольшой шрам или неправильная форма могут ухудшить зрение.Независимо от того, насколько хорошо функционирует остальная часть глаза, если роговица поцарапана, помутнена или деформирована, зрение пострадает.

При кератоконусе неправильная форма роговицы не позволяет ей правильно выполнять свою работу, что приводит к искажению изображения, передаваемого на сетчатку и передаваемого в мозг.

КОРНЕА

Глаз закрыт твердым белым мешком, склерой. Роговица — это прозрачное окно в этом белом мешочке, которое позволяет предметам, на которые вы смотрите, переноситься в виде световых волн внутрь глаза.

Поверхность роговицы — это место, где свет начинает свой путь в глаз. Миссия роговицы — собирать и фокусировать зрительные образы. Поскольку он находится спереди, как лобовое стекло автомобиля, он подвергается серьезным злоупотреблениям со стороны внешнего мира.

Роговица искусно сконструирована так, что только самые дорогие искусственные линзы могут соответствовать ее точности. Гладкость и форма роговицы, а также ее прозрачность жизненно важны для правильного функционирования глаза.Если ухудшается гладкость поверхности или прозрачность роговицы, зрение будет нарушено.

РОЗОВЫЕ СЛОИ

Несмотря на то, что роговица выглядит как одна прозрачная мембрана, она состоит из пяти различных слоев ткани, каждый из которых выполняет свою функцию.

Эпителий — тонкий внешний слой быстрорастущих и легко регенерируемых клеток.
Слой Боумена состоит из неправильно расположенных коллагеновых волокон и защищает строму роговицы.Его толщина составляет от 8 до 14 микрон.
Строма , прозрачный средний и самый толстый слой роговицы, состоит из регулярно расположенных коллагеновых волокон и кератоцитов (специализированных клеток, которые секретируют коллаген и протеогликаны, необходимые для поддержания прозрачности и кривизны роговицы)
Десцеметовая мембрана представляет собой тонкий слой, который служит модифицированной базальной мембраной эндотелия роговицы.
Эндотелий — это единственный слой клеток, отвечающий за поддержание надлежащего жидкостного баланса между водным и стромальным отделами роговицы, поддерживая прозрачность роговицы.

Как работают контактные линзы?

Контактные линзы работают так же, как и очки: они изменяют направление световых лучей, чтобы правильно фокусировать свет на сетчатке.

Если у вас близорукость, световые лучи слишком рано фокусируются в вашем глазу — они образуют точку фокусировки перед сетчаткой, а не прямо на ней. Контактные линзы и очки корректируют близорукость за счет расходящихся световых лучей, что снижает фокусирующую способность глаза.Это перемещает точку фокусировки глаза назад, на сетчатку, которой она принадлежит.

Если у вас дальнозоркость, ваш глаз не обладает достаточной фокусирующей способностью — световые лучи не могут сформировать точку фокусировки к тому времени, когда они достигают сетчатки. Контактные линзы и очки корректируют дальнозоркость за счет сходящихся световых лучей, что увеличивает фокусирующую способность глаза. Это перемещает точку фокусировки глаза вперед, на сетчатку.

Оптическая сила контактных линз и линз очков выражается в диоптриях (D). Силы линз, корректирующие близорукость, начинаются со знака минус (-), а силы линз, корректирующие дальнозоркость, начинаются со знака плюс (+).

Так почему же контактные линзы намного тоньше линз очков?

В значительной степени это связано с тем, что контактные линзы опираются непосредственно на глаз, а не на расстоянии примерно полдюйма (12 миллиметров) от поверхности глаза, как линзы для очков.

Из-за близости к глазу оптическая зона контактных линз (центральная часть линз, обладающая корректирующей силой) может быть намного меньше оптической зоны очковых линз.

Фактически оптическая зона очковых линз — это вся поверхность линзы.Оптическая зона контактных линз — это только часть линзы, окруженная периферическими кривыми подгонки, не влияющими на зрение.

Это что-то вроде взгляда в маленькое окно в вашем доме: если вы стоите очень близко к окну, у вас есть большой, беспрепятственный вид на улицу. Но если вы стоите через комнату из окна, ваш вид на улицу очень ограничен — если только у вас нет окна намного большего размера.

Поскольку контактные линзы опираются непосредственно на роговицу, их оптическая зона должна быть примерно того же диаметра, что и зрачок глаза в условиях низкой освещенности (около 9 миллиметров).Для сравнения, чтобы обеспечить адекватное поле зрения, большинство линз очков имеют диаметр более 46 мм. Этот больший размер делает линзы для очков намного толще, чем контактные линзы.

Кроме того, линзы для очков должны быть намного толще контактных линз, чтобы они не разбились при ударе. Линзы для очков для близорукости должны иметь минимальную центральную толщину 1,0 мм или больше, чтобы соответствовать рекомендациям по устойчивости к ударам.

Контактные линзы можно сделать намного тоньше.Фактически, большинство мягких контактных линз для близорукости имеют центральную толщину менее 0,1 мм.

Таким образом, сочетание значительных различий в положении ношения, диаметре оптической зоны и минимальной толщине для обеспечения структурной целостности делает контактные линзы намного, намного тоньше, чем очковые линзы той же силы.

Страница обновлена в январе 2021 г.

Линза глаза

или хрустальная линза: функции и проблемы

Хрусталик — это прозрачная структура в глазу, которая подвешена сразу за радужной оболочкой и фокусирует лучи света на сетчатке.Хрусталик — это название естественного хрусталика, с которым рождаются люди. Маленькие мышцы, прикрепленные к линзе, могут изменять форму линзы, что позволяет глазам фокусироваться на ближних или дальних объектах.

VectorMine / Getty Images

Части глаза

Чтобы лучше понять функцию хрусталика, полезно знать анатомию глаза. Это важные структуры глаза спереди назад:

Роговица: Прозрачная куполообразная поверхность глаза, которая изгибает свет и фокусирует его через зрачок на сетчатку.
Склера: Внешняя белая часть глаза, которая придает глазу его форму и защищает его хрупкие внутренние структуры
Зрачок: Отверстие в центре радужной оболочки, регулирующее количество света, попадающего на сетчатку.
Радужная оболочка: Цветная мембрана позади роговицы, которая регулируется, чтобы помочь зрачку регулировать поток света
Линза: Прозрачная структура за радужной оболочкой, которая меняет свою форму, фокусируя свет на сетчатке, позволяя видеть детали с разного расстояния
Цилиарное тело: Мышечная структура за радужной оболочкой, которая контролирует форму хрусталика при фокусировке глаза
Сетчатка: Ткань, выстилающая заднюю стенку глаза, которая преобразует визуальную информацию в изображение, которое отправляется в мозг

Функция объектива

Хрусталик обеспечивает примерно одну треть фокусирующей способности глаза.Хрусталик гибкий, и его кривизна может изменяться под влиянием цилиарного тела. Линза изменяет кривизну, так что глаз может фокусироваться на изображениях на разных расстояниях. Это изменение фокусировки называется аккомодацией.

Когда наш глаз смотрит на что-то с очень близкого расстояния от нас, наше цилиарное тело сжимается, и это ослабляет зоны хрусталика, которые удерживают хрусталик на месте по мере его утолщения. Когда глаз смотрит на изображения вдалеке, цилиарное тело расслабляется, зонулы хрусталика снова сжимаются, а толщина хрусталика уменьшается.Это приводит к тому, что удаленные изображения становятся в фокусе.

Линза и преломление

Преломление или искривление света внутри глаза происходит, когда свет проходит через линзу. Объектив фокусирует изображение на сетчатке. Если линза вызывает фокусировку за сетчаткой, возникает дальнозоркость. Если линза вызывает фокусировку перед сетчаткой, возникает близорукость. Эти проблемы со зрением можно исправить с помощью очков или контактных линз.

Старение линз и проблемы

Многие взрослые начинают замечать изменения в своем видении в возрасте от 40 до 25 лет, и эти изменения могут сильно различаться от человека к человеку.По мере того как линзы в наших глазах стареют, они постепенно теряют свою функцию. Два распространенных состояния, которые возникают в результате этого, — это пресбиопия и катаракта.

Пресбиопия

Старение приводит к тому, что хрусталик становится менее гибким и эластичным. В результате глаз теряет часть своей способности фокусироваться на близких объектах. Это состояние известно как пресбиопия. В возрасте около 40 лет большинству людей требуются очки для чтения. Пресбиопию часто называют «синдромом короткой руки», потому что люди склонны держать материал для чтения подальше от тела, чтобы его было легче читать.

Люди с пресбиопией могут жаловаться на то, что им требуется больше света для чтения. Глаза с пресбиопией также чувствуют усталость и, кажется, быстрее устают. Некоторые пациенты с пресбиопией также могут иметь нестабильное зрение, поскольку их глаза пытаются компенсировать дефицит зрения.

Катаракты

Катаракта — это помутнение хрусталика. Катаракта часто развивается с возрастом. К счастью, катаракта растет медленно и может не влиять на зрение в течение нескольких лет. К 65 годам более 90% людей страдают катарактой.

Лечение катаракты включает замену помутневшего хрусталика новым имплантатом прозрачного хрусталика. Процедура обычно проводится под местной анестезией в амбулаторных условиях и в большинстве случаев занимает менее часа.

Натуральные линзы и искусственные линзы

Для лечения катаракты существует несколько типов искусственных линз или имплантатов интраокулярных линз (ИОЛ), которые могут быть имплантированы хирургическим путем вместо мутных линз. Тип искусственного хрусталика, который будет заказан для вас, зависит от ваших визуальных потребностей.Существует два типа ИОЛ, которые наиболее широко используются для коррекции катаракты:

Монофокальные линзы , которые разработаны для коррекции зрения на одном расстоянии , являются наиболее распространенными искусственными линзами для коррекции катаракты. Их обычно выбирают для коррекции близорукости или дальнозоркости.
Мультифокальные линзы, корректируют несколько расстояний, позволяют четко видеть на всех расстояниях и максимально точно имитируют нормальное зрение.Они работают вместе с цилиарным телом, позволяя вам естественным образом фокусироваться и уходить.

Операция по удалению катаракты безопасна и эффективна, и однажды установленные ИОЛ могут улучшить ваше зрение на всю жизнь, не помутневая и не двигаясь. Побочные эффекты от этой процедуры очень редки, хотя у некоторых людей может развиться отек, глазная инфекция, кровотечение или отслоение сетчатки.

Слово Verywell

Хрусталик — это небольшая, но мощная структура, которая жизненно важна для вашей способности ясно видеть.Как и все другие части тела, эти линзы со временем стареют и постепенно теряют функцию. Если у вас проблемы с чтением или зрением при слабом освещении, обратитесь к окулисту, чтобы узнать больше о доступных вам вариантах коррекции. При правильном образе действий вы можете увидеть значительные улучшения и снова насладиться мелкими деталями жизни.

Как работают контактные линзы?

Контактные линзы — это специально разработанные оптические устройства, которые можно носить непосредственно на роговице глаза.Люди с плохим зрением носят контактные линзы, которые помогают перефокусировать встречные световые лучи на сетчатке, чтобы добиться четкого зрения. Контактные линзы увеличивают или уменьшают фокусирующий потенциал роговицы и, таким образом, напрямую проецируют свет на сетчатку и помогают в лечении аномалий рефракции.

Кредит изображения: Africa Studio / Shutterstock

Контактные линзы для определения дефектов рефракции

Контактные линзы используются для исправления проблем, связанных с преломлением света глазами.Миопия, дальнозоркость, астигматизм и пресбиопия — это разновидности аномалий рефракции. Эти аномалии рефракции лечат с помощью линз разных типов.

Расходящиеся контактные линзы для близорукости: При близорукости (миопии) световой луч от объекта фокусируется перед сетчаткой, а не на сетчатке. Это позволяет пострадавшим четко видеть близлежащие объекты, а удаленные — нечетко. Контактная линза, используемая для этого состояния, представляет собой вогнутую или расходящуюся линзу, которая увеличивает фокусное расстояние света, попадающего в глаз.Вогнутая линза имеет более тонкий центр и более толстые края, которые отклоняют свет, получаемый от удаленных объектов. Затем отклоненный свет объединяется роговицей и хрусталиком глаза для получения четкого изображения на слое сетчатки.

Конвергентная контактная линза для дальнозоркости: При дальнозоркости (дальнозоркости) естественный хрусталик глаза имеет пониженную способность преломлять свет, излучаемый объектом, тем самым делая фокус в месте за пределами слоя сетчатки. Контактные линзы, которые имеют выпуклую или сужающуюся форму, используются для исправления этого состояния.Собирающая линза уменьшает фокусное расстояние света, и это пропорционально уменьшает расстояние до изображения. Он объединяет световые лучи от объекта до того, как они попадут в глаза. Сведенный свет затем отклоняется хрусталиком глаза. Таким образом, комбинация двух линз позволяет сфокусировать изображение близлежащих объектов на сетчатке.

Торические контактные линзы для астигматизма: Астигматизм — это состояние, при котором свет от объекта, попадающего в глаза, расходится с образованием нескольких фокусных точек на сетчатке из-за аномальной формы роговицы.Люди с астигматизмом могут быть не в состоянии четко видеть объекты; это состояние также может возникать в сочетании с другими аномалиями рефракции, такими как миопия и дальнозоркость, что делает его более сложным. Специальная линза, известная как торическая контактная линза, используется для исправления изгиба роговицы глаза, вызывающего астигматизм. Он сконструирован таким образом, что линза может устанавливать различные потенциалы фокусировки в вертикальном и горизонтальном направлениях. Торическая линза имеет разные фокусные расстояния и оптическую силу, сформированные под углом 90 ° друг к другу.Когда световые лучи объекта проходят под прямым углом к торической линзе, корректируются множественные фокусные точки, достигнутые на сетчатке.

Монозрение и бифокальные контактные линзы для пресбиопии: Пресбиопия — это универсальное заболевание глаз, связанное со старением.

Бифокальные контактные линзы имеют концентрический бифокальный рисунок; Другими словами, он вогнутый в центре, но выпуклый со всех сторон для четкого обзора ближней и дальней областей соответственно.

Ношение контактной линзы моновидения — еще один вариант коррекции пресбиопии, когда линза одного глаза фокусируется на близлежащих объектах, а линза другого глаза фокусируется на удаленных объектах.

Контактные линзы новой технологии

Газопроницаемые контактные линзы: Газопроницаемые контактные линзы (GP) сохраняют форму роговицы, поскольку они жесткие по своей природе и обеспечивают подачу кислорода к роговице. Линза GP скрывает жидкую линзу, присутствующую в середине роговицы и линзы, и полностью сводит на нет аномалии в передней области глаза.Он также сжимает роговицу до более мягкого уровня, чтобы она могла принимать правильную форму задней линзы и обеспечивать более четкое зрение.

Люди с астигматизмом могут оптимально использовать контактные линзы GP. Их также можно использовать при других состояниях, таких как пресбиопия, миопия и кератоконоз.

Контактные линзы Орто-К (ортокератология) — это контактные линзы, специально разработанные для GP, которые носят в ночное время и снимают в дневное время для улучшения зрения у пациентов с близорукостью.Эта линза временно изменяет форму роговицы.

Из-за небольшого давления, вызываемого движением век, тонкая пленка отрывается от линзы и придает роговице форму плоской формы. Этот ночной процесс обеспечивает четкое зрение без контактных линз более 24 часов.

Контактная линза без коррекции зрения

Цветные контактные линзы: Эти линзы не имеют эффекта увеличения, но изменяют внешний вид глаза, обеспечивая цвет.

Ортопедическая контактная линза: Эта линза используется для прикрытия деформации глаз путем наложения на нее при таких условиях, как лейкокория. Увеличенный цвет лица протезного хрусталика обеспечивает полупрозрачную окраску естественного хрусталика, тем самым смягчая изменения радужной оболочки, что устраняет светобоязнь.

Как глаз фокусирует свет — Science Learning Hub

Человеческий глаз — это орган чувств, приспособленный к зрению, реагируя на свет. Роговица и хрусталик важны для фокусировки света глазом.

Глаз фокусирует свет аналогично тому, как вы используете увеличительное стекло, чтобы сосредоточить солнечные лучи на листе бумаги. Расстояние от увеличительной линзы до листа бумаги — это фокусное расстояние.

Что касается глаза, то свет от удаленных объектов фокусируется на сетчатке в задней части глаза.

Глаз размером с мяч для настольного тенниса, поэтому фокусное расстояние должно быть около 2,5 см.

Роговица выполняет большую часть фокусировки.

Около 70% отклонения света происходит, когда он попадает в роговицу и водянистую жидкость.

Этот изгиб возможен из-за кривой роговицы, а также из-за изменения показателя преломления, когда свет перемещается из воздуха в роговицу, а затем в водную жидкость между роговицей и радужной оболочкой. Воздух имеет показатель преломления 1,00, а водная жидкость за роговицей имеет показатель преломления 1,33.

Если бы изменение показателя преломления было не таким большим, свет не искривлялся бы так сильно.

Это становится заметно, если вы пытаетесь на что-то посмотреть, находясь под водой.Вещи кажутся не в фокусе, потому что роговица предназначена для работы со светом, проходящим в нее из воздуха, а не из воды. Ношение очков для плавания под водой позволяет присутствовать слою воздуха.

Хрусталик и аккомодация

За водной жидкостью находится вторая система линз. Он состоит из выпуклой линзы, мягкой и податливой. Цилиарная мышца — это круговое мышечное кольцо, которое крепится по всей длине хрусталика. Эта ресничная мышца может изменять форму хрусталика, растягивая его по краям.Он прикреплен к хрусталику с помощью зонул (волокон связок, которые могут быть тугими или свободными).

Когда вы смотрите на близкий объект, линза должна стать более округлой на центральной поверхности, чтобы фокусировать световые лучи. Эта способность изменять фокус для объектов крупным планом называется аккомодацией.

Две совершенно противоположные теории аккомодации

Существуют две основные теории изменения формы линзы.

Теория Гельмгольца — предложена в 1855 году.Когда цилиарная мышца сокращается, все зональное напряжение снижается. Это позволяет сделать центральную поверхность линзы более округлой (увеличивает ее фокусирующую способность). Когда цилиарная мышца расслабляется, все зональное напряжение увеличивается, что приводит к уплощению хрусталика (снижение оптической силы).
Механизм Шахара — предложен в 1992 году. Когда цилиарная мышца сокращается, напряжение экваториальной зоны увеличивается. Это приводит к тому, что центральная поверхность линзы становится более круто закругленной (увеличивает центральную оптическую силу).Когда цилиарная мышца расслабляется, напряжение экваториальной зоны снижается, что приводит к уплощению центральной поверхности хрусталика (снижение оптической силы).

Механизм Шахара можно продемонстрировать с помощью майларового шарика (блестящего серебряного плоского шарика, который часто используется с гелием). Если вы посмотрите на свое отраженное изображение на плоской стороне воздушного шара, вы заметите, что оно становится меньше, если вы потянете края воздушного шара наружу. Это потому, что центр воздушного шара становится более выпуклым.

Утрата аккомодации

С возрастом способность цилиарной мышцы изменять форму хрусталика уменьшается. У большинства людей способность фокусироваться на изображениях крупным планом снижается, но зрение вдаль не нарушается. Это называется пресбиопией и является одной из причин, по которой пожилым людям часто требуются очки для чтения.

Согласно теории Гельмгольца, хрусталик с возрастом становится тверже. Это означает, что цилиарная мышца больше не может в достаточной степени изменять форму хрусталика.

Согласно теории Шахара, хрусталик не теряет своей гибкости с возрастом. Скорее, потеря аккомодации вызвана тем, что хрусталик с возрастом продолжает немного увеличиваться в размерах. Это увеличение размера означает, что расстояние между линзой и цилиарной мышцей уменьшается, а это означает, что цилиарная мышца не может обеспечивать такое же напряжение краям линзы.

Природа науки

Когда предлагается альтернативное предложение о том, как что-то работает, часто проходит долгий процесс обсуждения и экспериментов, прежде чем новая идея либо игнорируется, либо принимается.Например, с тех пор, как доктор Шахар предложил альтернативный механизм того, как цилиарные мышцы изменяют форму хрусталика, было много аргументов и контраргументов. Спустя почти 20 лет споры все еще продолжаются.

Сопутствующие материалы

Наши глаза — наше зрение описывает некоторые состояния глаз, которые могут повлиять на зрение человека.

«Улучшение проверки зрения для детей» описывает, как проект проверки зрения между сверстниками стремится предупредить учащихся о состояниях глаз, которые влияют на их зрение.

Идея упражнения

Упражнение «Рассечение глаза» использует коровьи глаза для наблюдения за многими частями человеческого глаза.

В упражнении «Маркировка глаза» используется интерактивный или бумажный ресурс для идентификации и маркировки основных частей человеческого глаза.

Как работает линза: Оптические линзы | Физика