Рис. 2. Разновидности линз:
а — собирающие; б — рассеивающие, 1 — двояко-выпуклая; 2 — плоско-выпуклая; 3 — вогнуто-выпуклая (мениск); 4 — двояко-вогнутая; 5 — плоско-вогнутая; 6 — выпукло-вогнутая (мениск); R1 и R2 — радиусы сферических поверхностей; О — оптический центр линзы, O1O2 — толщина линзы в центре; AВ — главная оптическая ось; CD — оптическая ось линзы
Точки С1 и С2 — центры шаровых поверхностей и О1C1 и O2С2 — их радиусы, равные R1 и R2. В оптических приборах широкое применение находят тонкие линзы, в которых их толщина O1O2 очень мала по сравнению с радиусами R1 и R2, в таких линзах точки О1 и O2 можно считать сливающимися в точку О, которая называется оптическим центром линзы. Прямая АВ, проходящая через центры С1 и С2 шаровых поверхностей, называется главной оптической осью, а всякая прямая, проходящая через оптический центр линзы О, например прямая CD, называется оптической осью линзы.
По форме ограничивающих поверхностей различают шесть разновидностей линз: двояковыпуклая, плоско-выпуклая, вогнуто-выпуклая (мениск), двояковогнутая, плоско-вогнутая и выпукло-вогнутая (мениск), среди которых первые три представляют собирающие (положительные) линзы, а последние три — рассеивающие (отрицательные) (рис. 2). Сравнивая сечения собирающих и рассеивающих линз замечаем, что в собирающей линзе середина O1O2 толще, чем ее края, а в рассеивающей — наоборот, середина O1O2 тоньше краев.
Собирающие линзы широко применяют в оптических приборах, в частности, хрусталик нашего глаза также представляет собирающую линзу, а линзы-мениски служат в качестве очков у людей с ослабленным зрением.
Линзы изготавливают не только из стекла, а из любого прозрачного вещества, например перед экранами первых телевизоров, выпускавшихся в 50-е годы минувшего века, для увеличения изображения ставили линзы, которые изготавливались из двух выпуклых стекол и наполнялись водой. В специальных оптических приборах линзы выполняют из кварца, каменной соли, горного хрусталя и т. д.
Фокусы в собирающих линзах. Если направить на собирающую линзу слева пучок параллельных лучей, например от солнечного света, то лучи света после выхода из линзы, отклоняясь от своего первоначального направления, собираются в точке F1 на главной оптической оси MN, которая называется фокусом линзы, а расстояние OF1 — фокусным расстоянием и обозначается буквой f1 (рис. 3).
Рис. 3. Фокусы в собирающих линзах:
а, б — фокусы F и F1 и фокусные расстояния f и f1; в, г, д — разбивка линзы на трапецеидальные и прямоугольную призмы и прохождение световых лучей через них
Существо опыта не изменяется, если на линзу направить пучок параллельных лучей справа, и в этом случае лучи, проходя линзу, собираются в фокусе F. Фокусы F и F1 называются передним и задним фокусами и, соответственно, f и f1 — передним и задним фокусными расстояниями; как увидим дальше, они по величине равны: f = f1.
Отклонение от своего направления параллельных лучей, прошедших собирающую линзу, объясняется очень просто. Собирающую линзу можно представить в виде совокупности большого количества трапецеидальных призм, расширяющихся к низу и прямоугольной призмы в центре (рис. 3,в).
Каждая призма характеризуется боковыми сторонами, наклоненными под углом β к основанию, и их наклоны зависят от места расположения трапецеидальной призмы в теле линзы. Возьмем призму CDEF и направим на нее слева луч 1, который, проходя ее по законам оптики, отклоняется от своего направления к ее основанию CF, и величина отклонения луча зависит от наклона боковых сторон призмы. Чем больше их наклон, тем больше отклоняется луч от своего первоначального направления (рис. 3,г). Таким образом, параллельные лучи в потоке света, направляемые на собирающую линзу, каждый из которых, проходя через свою призму и отклоняясь от своего первоначального направления, собирается в точке фокуса.