Ли́нза (, от — чечевица) — деталь из прозрачного однородного материала, имеющая две преломляющие полированные поверхности, например, обе сферические или же одну плоскую, а другую — сферическую. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, кристаллы, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы. Существуют и инфракрасные линзы, изготовленные из материала, прозрачного для инфракрасного излучения (как правило, германий, кремний, черный селен, фторид магния, фторид кальция или селенид цинка).
Термин «линза» используют также применительно к другим приборам и явлениям, действие которых на излучение подобно действию линзы, например: плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра; линзы Френеля; зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции; «линзы» воздуха в атмосфере — неоднородность свойств, в частности показателя преломления (проявляется в виде мерцания изображения звёзд в ночном небе); гравитационная линза — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами; магнитная линза — устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах; изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем. взрывные линзы в ядерном оружии — нужны для придания сходящейся взрывной волне сферической формы, что необходимо для равномерного обжатия отражателя нейтронов с находящимся внутри сферическим зарядом из делящегося вещества — плутония-239, урана-235 или урана-233, либо их сплава. Представляют собой довольно сложные по форме (форма очень точно рассчитана) изделия, из относительно медленно горящего по сравнению с основным составом взрывчатого вещества с засекреченным составом, так называемой «медленной взрывчатки».
История
Слово линза происходит от lēns, латинского названия чечевицы, потому что двояковыпуклая линза имеет форму семени чечевицы. Линзой также называется геометрическая фигураThe variant spelling lense is sometimes seen. While it is listed as an alternative spelling in some dictionaries, most mainstream dictionaries do not list it as acceptable..
Некоторые учёные утверждают, что археологические свидетельства указывают на широкое использование линз в древности на протяжении нескольких тысячелетий. Так называемая линза Нимруда — артефакт из горного хрусталя, датируемый VIII веком (750—710 гг.) до нашей эры, который, возможно, использовался в качестве увеличительного или зажигательного стекла либо предназначался для других целей. Другие предположили, что некоторые египетские иероглифы изображают «простые стеклянные менисковые линзы».
Самый древний литературный источник, в котором упоминается об использовании линз, а именно зажигательного стекла, — пьеса Аристофана «Облака» (424 г. до н. э.). Плиний Старший (I век н. э.) подтверждает, что зажигательные стёкла были известны в античности, а именно в римский периодPliny the Elder, The Natural History (trans. John Bostock) Book XXXVII, Chap. 10 .. В работах Плиния содержится также самая ранняя из известных ссылок на использование корректирующих линз: он упоминает, что Нерон, как говорят, смотрел гладиаторские игры, используя изумруд (предположительно вогнутый, чтобы исправить близорукость, хотя отсылка не точна)Pliny the Elder, The Natural History (trans. John Bostock) Book XXXVII, Chap. 16 . И Плиний, и Сенека Младший (3 г. до н. э. — 65 г. н. э.) описали увеличивающий эффект стеклянного шара, наполненного водой.
Птолемей (II век) написал книгу по оптике, которая, однако, сохранилась только в латинском переводе с неполного и очень плохого арабского перевода. Однако книга была принята средневековыми учёными в исламском мире и прокомментирована Ибн Салом (X век), чей вклад, в свою очередь, был улучшен Альхазеном (Книга об оптике, XI век). Арабский перевод Оптики Птолемея стал доступен в латинском переводе в XII веке (Евгений Палермский, 1154 г.). Между XI и XIII веками были изобретены «камни для чтения». Это были примитивные плоско-выпуклые линзы, изначально сделанные путем разрезания стеклянной сферы пополам. Средневековые (XI или XII век) линзы Висбю из горного хрусталя могли быть предназначены для использования в качестве зажигательных стёкол, однако возможно, что их изготовили для каких-то иных целей.
Очки были изобретены как усовершенствование «камней для чтения» периода Высокого Средневековья в Северной Италии во второй половине XIII века . Это стало началом развития оптической индустрии шлифовки и полировки линз для очков — сначала в Венеции и Флоренции в конце XIII векаAl Van Helden. The Galileo Project > Science > The Telescope . Galileo.rice.edu. Retrieved on 6 June 2012., а затем в центрах производства очков в Нидерландах и Германии . Создатели очков сделали улучшенные типы линз для коррекции зрения, основанные больше на эмпирических знаниях, полученных при наблюдении за эффектами линз (вероятно, без знания элементарной оптической теории того времени). Практические разработки и эксперименты с линзами привели к изобретению составного оптического микроскопа около 1595 года и телескопа-рефрактора в 1608 году — и тот и другой появились в центрах изготовления очков в НидерландахMicroscopes: Time Line , Nobel Foundation. Retrieved 3 April 2009.
С изобретением телескопа в XVII веке и микроскопа в начале XVIII было проведено множество экспериментов с формами линз в стремлении исправить наблюдаемые в последних хроматические ошибки. Оптики пытались конструировать линзы различной формы кривизны, ошибочно полагая, что ошибки возникли из-за дефектов сферической формы их поверхностейThis paragraph is adapted from the 1888 edition of the Encyclopædia Britannica.. Оптическая теория преломления и эксперименты показали, что ни один одноэлементный объектив не может сфокусировать все цвета. Это привело к изобретению составной ахроматической линзы Честером Муром Холлом в Англии в 1733 году, изобретение также было заявлено англичанином Джоном Доллондом в патенте 1758 года.
Характеристики простых линз В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирающих 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), и фокусным расстоянием.
Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света, — ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например, показатель преломления, коэффициент дисперсии, показатель поглощения и показатель рассеяния материала в выбранном оптическом диапазоне.
Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким показателем преломления (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).
Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких — как правило, отрицательные мениски.
Вопреки распространённому заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами не равна нулю, а положительна, и зависит от показателя преломления стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке, называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна).
Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.
Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку , 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 , которая и будет изображением точки . 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 на выходе из неё лучи преломляются под бо́льшим углом, и точка переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом , а расстояние от центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.
Лучи, падающие на рассеивающую линзу, на 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 , которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.
Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в фокусе линзы, называется фокальной плоскостью.
Собирающие линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи при 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 главных точек линзы.
Часто в технике применяется понятие увеличение линзы (лупы) и обозначается как 2×, 3× и т. д. В данном случае увеличение определяется по формуле (при рассматривании вплотную к линзе). Где — фокусное расстояние, — расстояние наилучшего зрения (для взрослого человека средних лет около 25 см)Хендель А. Основные законы физики. — М.: Физматгиз, 1959. — 284 с. [psychology_pedagogy.academic.ru/14495/РАССТОЯНИЕ_НАИЛУЧШЕГО_ЗРЕНИЯ Расстояние наилучшего зрения на academic.ru]. Для линзы с фокусным расстоянием 25 см, увеличение составляет 2×. Для линзы с фокусным расстоянием 10 см, увеличение составляет 3,5×.
Ход лучей в тонкой линзе Линза, для которой толщина принята равной нулю, в оптике называется «тонкой». Для такой линзы показывают не две главных плоскости, а одну, в которой как бы сливаются вместе передняя и задняя.
Рассмотрим построение хода луча произвольного направления в тонкой собирающей линзе. Для этого воспользуемся двумя свойствами тонкой линзы: луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления; параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.
Рассмотрим луч произвольного направления, падающий на линзу в точке . Построим линию его распространения после преломления в линзе. Для этого построим луч , параллельный и проходящий через оптический центр линзы. По первому свойству линзы луч не изменит своего направления и пересечёт фокальную плоскость в точке . По второму свойству линзы параллельный ему луч после преломления должен пересечь фокальную плоскость в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу луч пойдёт по пути .
Аналогичным образом можно построить другие лучи, например луч .
Обозначим расстояние от линзы до источника света через , расстояние от линзы до точки фокусировки лучей через , фокусное расстояние через . Выведем формулу, связывающую эти величины.
Рассмотрим две пары подобных треугольников: и , и . Запишем пропорции
Разделив первую пропорцию на вторую, получим