Двояковыпуклая линза для чего нужна

Двояковыпуклые линзы

Изображения, формируемые линзами, возникают из-за преломления света. Выпуклая линза еще называется собирающей или положительной. Она фокусирует лучи, исходящие от точечного объекта, в определенной точке; следовательно, сформированное изображение считается действительным.

Двояковыпуклая линза – это линза с двумя выпуклыми поверхностями, оптические центры которых совпадают.

Рисунок 1 – Схема ДВЛ

Когда излучение попадает на края линзы, оптические лучи становятся параллельны друг другу.

Двояковыпуклые линзы (ДВЛ) применяются как увеличительные или конденсирующие компоненты. Они также находят применение во многих системах формирования изображений, таких как телескопы, монокуляры, микроскопы, бинокли, камеры, проекторы и т. д.

ДВЛ представляют собой простые симметричные элементы, которые содержат две выпуклые линзы со сферической формой, каждая из которых имеет одинаковый радиус кривизны (см. рис 1).

Типовые материалы и параметры линз

BK7, вероятно, представляет собой наиболее распространенное оптическое стекло, из которого производят высококачественные оптические компоненты видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Его обычно выбирают всякий раз, когда дополнительные преимущества УФ плавленого кварца (то есть хорошее пропускание в УФ и более низкий коэффициент теплового расширения) не являются необходимыми. Его высокая однородность, низкое содержание пузырьков и включений, а также простота изготовления делают его хорошим выбором для пропускающей оптики. BK7 также относительно твердый материал, он показывает хорошую устойчивость к царапинам.

CaF₂ обычно используется для приложений, требующих высокого пропускания в инфракрасном и ультрафиолетовом спектральных диапазонах. Его чрезвычайно высокий порог лазерного повреждения делает CaF2 полезным для использования с эксимерными лазерами. Материал демонстрирует низкий показатель преломления, варьирующийся от 1,35 до 1,51 в диапазоне его использования от 180 нм до 8,0 мкм. Фторид кальция также довольно химически инертен и обладает превосходной твердостью.

Линзы из ZnSe особенно хорошо подходят для использования с мощными CO2-лазерами.

УФ Плавленый кварц

Так как данные оптические элементы применяются в высокоточных оптических установках, необходимо тщательно подбирать изделие под конкретную задачу, ориентируясь на допуски.

Пример важности допусков

В расширителях луча ошибки центрирования могут привести к дрейфу луча, в результате чего выходной луч не параллелен входному лучу. Дрейф луча усложняет юстировку лазерных систем, поскольку требует наклона механического корпуса для компенсации несоосности входной и выходной осей.

Типичные характеристики линз приведены в таблице ниже.

Источник

Двояковогнутая линза

Линзами называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. Например:

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

Содержание

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).

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.

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.

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.

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:

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:

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.

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.

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.

Источник

Какие линзы используются для коррекции близорукости?

При близорукости и дальнозоркости в основном используют сферические линзы. Они бывают двух типов — двояковогнутые и двояковыпуклые. Первые являются рассеивающими, а вторые — собирающими. В чем разница между этими двумя видами оптики? Рассмотрим их особенности и опишем свойства оптических изделий для коррекции миопии.

Виды линз — двояковыпуклые и двояковогнутые

В этой статье

Оптическая линза сферической формы представляет собой прозрачный однородный элемент, который ограничен с двух сторон сферическими или одной плоской и одной сферической поверхностью. Есть несколько разновидностей таких оптических изделий. Все их можно объединить в два типа линз:

Первые являются положительными, они оснащены «плюсовыми» диоптриями. Такие изделия еще называются двояковыпуклыми, так как они выпуклые с обеих сторон. В центре толщина линзы больше, чем по краям. Рассеивающие, или двояковогнутые, оптические изделия оснащены отрицательными диоптриями, «минусовыми». В центре они тонкие, а по краям более широкие. Световые лучи, проходящие через собирающую линзу, фокусируются непосредственно за ней в одной точке. Проходя через оптику, лучи рассеиваются в разные стороны. Для коррекции дальнозоркости подходит первый тип офтальмологических изделий. Двояковогнутые линзы используют при близорукости.

Что такое близорукость?

Еще этот дефект рефракции называется миопией. Характеризуется он плохим зрением вдаль. Близорукий человек хорошо различает предметы, которые находятся близко от глаз. Однако при переводе фокуса на удаленные объекты картинка расплывается. Происходит это из-за увеличенного диаметра глазных яблок.

У пациентов с миопией они имеют и несколько удлиненную форму. Из-за этого лучи после преломления собираются в точке перед сетчаткой. Чем больше диаметр глаза, тем короче дистанция хорошего зрения. Исправляется этот дефект с помощью рассеивающей оптики. Двояковогнутые линзы передвигают картинку на центр глаза, уменьшая преломляющую способность его оптической системы.

Однако используют такие изделия сегодня не часто. Их толщина сильно изменяется от центра к периферии. Точить двояковогнутые линзы очень неудобно. Кроме того, выглядят они непривлекательно. В большинстве случаев для коррекции близорукости применяют очки со стеклами, передняя сторона которых сферическая, а задняя — вогнутая.

Какие еще используют линзы при близорукости?

Двояковогнутые рассеивающие линзы и их разновидности применяются в очковой коррекции. Если подбирается контактная оптика, то выбор встает между сферическими и асферическими офтальмологическими изделиями. Способ корригирования миопии, режим ношения оптики зависят от вида дефекта рефракции и его степени. Всего есть три степени близорукости:

1. Легкая — до −3 дптр. Пациент большую часть времени обходится без средств коррекции. Только очень удаленные предметы кажутся размытыми. Обычно при этой степени близорукости линзы используют водители, когда находятся за рулем.
2. Средняя — от −3 до −5-6D. Дистанция хорошего зрения заметно сокращается. Очки требуется носить почти всегда. Они снимаются перед чтением или работой за компьютером. Однако телевизор смотреть без оптики уже проблематично. Дети с этой степенью миопии сидят на уроках в очках, чтобы отчетливо видеть написанное на классной доске.
3. Высокая — от −6D. Даже читать приходится, используя линзы. Существуют очень тяжелые формы миопии с показателем −20 и −25D. Их скорректировать сложнее всего.

Очки при миопии обычно назначаются при легкой и средней степени. Они могут быть скорректированы обычными двояковогнутыми линзами или другими рассеивающими оптическими изделиями — плосковогнутыми, выпукло-вогнутыми. С высокой близорукостью такие очки не справляются. К ним не всегда удается привыкнуть. Они имеют очень толстые стекла, а потому выглядят неэстетично. Кроме того, у многих пациентов ношение подобной оптики вызывает:

В таких случаях прибегают к помощи контактной оптики. Не будем рассказывать о всех преимуществах этого способа коррекции. Отметим лишь, что контактные линзы переносятся лучше, особенно при тяжелой близорукости. Однако и этот тип офтальмологических изделий нужно подобрать правильно.

Сферические и асферические линзы при близорукости

Даже при 100-процентном зрении могут возникать сферические аберрации — боковые искажения, которые появляются при прохождении пучка света через оптические структуры глаза. Глазное яблоко человека представляет собой преломляющую систему, в которую входят хрусталик и роговица. Они принимают основное участие в преломлении световых лучей. Для этих оптических сред характерна несовершенность. Форма их не всегда бывает идеальной. Очковым и контактным линзам свойственна эта же особенность.

К несовершенствам оптической системы глаза относятся аберрации низшего и высшего порядка. К первым принадлежит близорукость. Компенсируется такой дефект, как уже было рассказано ранее, рассеивающими линзами. Однако и они имеют собственные краевые аберрации, так как также являются несовершенными. Световые лучи, проходя через рассеивающие сферические оптические изделия, собираются на сетчатке не одинаково, а образуя небольшое рассеивание. Даже при полной коррекции миопии могут возникать искажения. Они становятся особенно заметными в очках при переводе взгляда вбок. Избавиться от этого недостатка удалось путем создания линз с асферической поверхностью.

Что такое асферические линзы и почему их используют при миопии?

У таких офтальмологических изделий внутренняя и внешняя поверхность похожа на эллипс, а не сферу. Линзы собирают лучи света в одной точке. Радиус базовой кривизны в них возрастает к периферии. Благодаря этому увеличивается пропускная световая способность по разным точкам. Это помогает предотвратить сильное рассеивание света.

Асферические линзы появились на рынке относительно недавно. Сегодня они стали очень популярны, особенно при средней и высокой степени миопии. Кроме того, контактная оптика с асферическим дизайном способна компенсировать легкую степень астигматизма. Перечислим преимущества этого типа оптических изделий:

Также в асферических линзах не беспокоят блики от светящихся объектов, вокруг источников света не образуются ореолы. Эти недостатки свойственны изделиям со сферическим дизайном.

Существуют и очки с асферическими линзами. Они обладают всеми достоинствами, что и контактная оптика такой формы. Однако есть у них один существенный «минус». Очковая оптика не защищает от бликов. Необходимо приобретать модели с антибликовым покрытием. Это отражается на стоимости оптических изделий. Сегодня большим спросом пользуются средства контактной коррекции с асферическим дизайном.

Популярные асферические контактные линзы

Они лучше корректируют близорукость, в том числе высокую ее степень. Кроме того, выпускаются они в большом количестве. Можно подобрать однодневные и ежемесячные, квартальные и традиционные, гидрогелевые и силикон-гидрогелевые, прозрачные и цветные модели. Существуют даже асферические линзы с декоративными и оптическими свойствами одновременно. Они могут корригировать миопию и изменять цвет глаз. Перечислим известные модели:

Торические линзы и близорукость

Используют ли при миопии линзы с торическим дизайном? Данные офтальмологические изделия появились на рынке недавно и предназначены они для коррекции астигматизма — дефекта рефракции, при котором световые лучи собираются на двух точках сетчатой оболочки. Из-за этого изображение, которое видит человек, оказывается нечетким, размытым. Причина патологии — неправильная форма хрусталика, роговицы или всего глазного яблока. Обычно при астигматизме выявляется и другой дефект рефракции — близорукость или дальнозоркость. Если на одном из двух главных меридианов глаза наблюдается миопия, а на другом — нормальная рефракция, диагностируется миопический астигматизм. Он корректируется с помощью торических линз. Такая контактная оптика имеет большее число параметров — не только показатель сферы, или близорукости, но и оптическую силу цилиндра. Изделия с торическим дизайном исправляют и астигматизм, и миопию по разным меридианам.

Раньше людям с таким зрением приходилось носить астигматические очки. Они состояли из двух разных линз и не всегда обеспечивали качественную коррекцию. Кроме того, они вызывали дискомфорт. Теперь можно приобрести торические офтальмологические изделия любого типа:

Перед покупкой линз обязательно пройдите обследование у офтальмолога.

Источник