Какими свойствами обладают линзы

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой. Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше.

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

Прямая, проходящая через центры кривизны O₁ и O₂ сферических поверхностей и оптическим центром линзы O, называется главной оптической осью линзы. Луч света проходя через оптический центр линзы, не отклоняется от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями. Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием.

У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, также фокусируются после прохождения через линзу в точку F’, которая расположена при пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то есть плоскостью перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус.

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

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными и мнимыми, увеличенными и уменьшенными. Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

Построение изображения в собирающей линзе

Если расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м:

1 дптр = м⁻¹

Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения h’ и предмета h. Величине h’ удобно приписывать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Величина h всегда считается положительной. Поэтому для прямых изображений Γ > 0, для перевернутых Γ < 0. Из подобия треугольников на рисунке легко получить формулу для линейного увеличения тонкой линзы:

Оптическая сила D линзы зависит как от радиусов кривизны R1 и R2 ее сферических поверхностей, так и от показателя преломления n материала, из которого изготовлена линза. В курсах оптики доказывается следующая формула:

Радиус кривизны выпуклой поверхности считается положительным, вогнутой – отрицательным. Эта формула используется при изготовлении линз с заданной оптической силой.

Спасибо за внимание. Ставьте лайки и подписывайтесь 🙂

Одним из основных параметров очковой линзы является оптическая сила. По своей сути, этот параметр определяет, насколько сильно линза отклоняет световые лучи. Например, если линза собирающая, то чем сильнее оптическая сила, тем ближе будет фокус линзы (обозначается как F) — точка, где сойдутся световые лучи, которые прошли через эту линзу. У рассеивающих линз — чем сильнее оптическая сила, тем сильнее линза отклонит световые лучи в сторону.

С другой стороны, оптическая сила линзы характеризует ее увеличивающую способность. У собирающих линз принято обозначать «оптическую силу» знаком «+», у рассеивающих – знаком «-» (здесь увеличивающая способность является отрицательной).

В связи с этим люди, которые носят очки с плюсовыми линзами, видят мир вокруг чуть большего размера. А те, кто носит минусовые линзы, видят его меньшего размера. И чем больше плюс или минус в очках, тем сильнее разница между тем, что видит человек через очки и тем, что есть на самом деле.

Диаметр линзы. Параметр, обуславливающий толщину линзы. Для линз положительной рефракции работает четкое правило: чем меньше диаметр готовой линзы и больше он соответствует размеру светового проема оправы, тем тоньше линза по центру. Диаметр готовых линз отрицательной рефракции не существенно влияет на их толщину по краю, а определяется размером светового проема оправы. Для отрицательных линз справедливо другое правило: чем меньше световой проем оправы, тем тоньше линзы по краю.

Показатель преломления. Преломление (рефракция) – явление изменения пути следования светового луча на границе двух сред. Число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Световой луч, при прохождении через очковую линзу, будет преломляться в большей или меньшей степени, в том числе, и в зависимости от индекса преломления. Если сравнивать две линзы одинаковой оптической силы и одинакового диаметра, но с разным индексом преломления, то линза с более высоким индексом преломления будет тоньше, чем линза с более низким индексом преломления. Важно отметить, что с увеличением показателя преломления линзы, увеличивается коэффициент отражения света от поверхности, а светопропускание линзы уменьшается. Поэтому на высокоиндексные линзы обязательно наносится просветляющее покрытие.

Число Аббе – мера прозрачности линзы. Характеризует хроматические аберрации, вызывающие появление окрашенных контуров у изображений предметов при взгляде на них через периферическую часть линзы. Аберрации возникают из-за того, что показатель преломления светового излучения зависит от длины волны. Достаточно хорошие оптические свойства линзы получают, если число Аббе выше 30. Следует иметь в виду, что число Аббе и показатель преломления, как правило, зависят друг от друга обратно пропорционально. У высокопреломляющих материалов число Аббе ниже, чем у CR-39 (около 58).

Конструкция очковых линз.

Сферическая линза – самая простая и распространённая конструкция очковых линз. Это линза, передняя и задняя поверхности которой являются частями поверхности сферы, а ось линзы перпендикулярна обеим поверхностям. Другими словами, поверхность линзы имеет единый радиус кривизны по всем меридианам;

Асферическая линза — линза, одна или обе поверхности которой не являются сферическими или цилиндрическими. Радиус асферической линзы постепенно увеличивается от центра к периферии, таким образом, она становится более плоской ближе к периферии. Данный дизайн минимизирует аберрации (искажения), выравнивая изображение по всей площади линзы, что обеспечивает более острое и более контрастное зрение. А это в свою очередь, сводит зрительный дискомфорт к минимуму. Кроме того, данные линзы за счет своей асферичности тоньше и легче, чем сферические, имеют более «стройный» профиль и менее выпуклые. Очки с асферическими линзами имеют более эстетичный внешний вид, линзы меньше выделяются из рамки оправы.

Лентикулярные очковые линзы предназначены для коррекции высокой степени аметропии. Данная линза обладает заданной рефракцией только в центральной части, а периферия служит основой. Такой дизайн позволяет значительно уменьшить толщину и вес линзы, особенно при высокой степени гиперметропии (дальнозоркости).

Категории защиты от UV.

Ни для кого не секрет, что УФ-излучение вредно для глаз. Полимерные материалы имеют высокую степень фильтрации ультрафиолетового излучения.

Поликарбонат поглощает 98-100% излучений средней и длинноволновой составляющей УФ-диапазона, являющихся наиболее опасными для структур глаза. Любой из специализированных оптических полимеров обладает гораздо более высокой в сравнении с оптическим стеклом степенью фильтрации ультрафиолета.

Способность отфильтровывать потенциально опасную составляющую солнечного спектра связана с явлениями абсорбции, поляризации или отражения потока излучения. Специальные органические или неорганические материалы вводятся в состав линз (УФ-абсорбер, фотохромный пигмент) или в виде покрытий наносятся на их поверхность. Степень защиты очковых линз в УФ-области нельзя определить визуально, исходя из оттенка или цвета окраски линзы, а также от степени затемнения очковых линз. Эти поглотители не меняют цвет линз, поэтому высококачественная прозрачная очковая линза может поглощать практически все опасное для глаз излучение.

1) Классификация по материалу

Основой органических материалов являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения, другими словами полимеры.

Органические линзы делятся на две основные категории – реактопласты (традиционные пластмассы, в частности CR-39, а также высокопреломляющие материалы на его основе) и термопласты (поликарбонат).

Полимерные очковые линзы обладают превосходными оптическими свойствами и обеспечивают неплохую защиту от УФ излучения. Кроме того, органические линзы значительно легче минеральных линз.

Используемый в очковой оптике поликарбонат обладает повышенной ударопрочностью и имеет низкий удельный вес. Поликарбонатные очковые линзы защищают глаза от механического воздействия, от ударных нагрузок, обеспечивают стопроцентную защиту от УФ излучений групп A и B. Кроме того, поликарбонат является одним из самых легких материалов, используемых в производстве очковых линз. Линзы из данного материала рекомендуются, в первую очередь, детям, спортсменам и людям, ведущим активный образ жизни, т.е. тем пользователям, которые находятся в группе повышенного риска травматизма.

Основные достоинства полимерной оптики — легкость, прочность, безопасность, значительно больший ассортимент и технические возможности установки в оправы с любым типом крепления линз.

Недостатки полимерной оптики — низкая абразивостойкость, устойчивость к царапинам, т.е при неаккуратном обращении такие линзы быстро царапаются.

Минеральные очковые линзы изготавливаются из неорганического стекла. Неорганическое стекло — это твердый прозрачный материал, который достигает стеклообразного состояния в процессе остывания стеклообразующих компонентов.

Минеральные очковые линзы обладают высокими оптическими свойствами, устойчивостью к образованию царапин, однако такие линзы легко разбить, они достаточно тяжелые и не всегда обеспечивают высокую защиту от УФ излучения.

Основные достоинства минеральной оптики — твердость, абразивостойкость(стойкость к образованию царапин), хорошие оптические свойства, а так же возможность изготовления высокоиндексной оптики с показателем преломления n=1,8;1,9.

К недостаткам минеральных линз можно отнести низкую ударопрочность, травмоопасность, хрупкость, которая приводит к техническим ограничениям установки таких линз в безободковые и полуободковые оправы.

2) Классификация по положению главного фокуса

В зависимости от положения главного фокуса, очковые линзы разделяются на собирательные, обозначаемые знаком плюс «+», и рассеивающие, обозначаемые знаком минус «-». У собирательных линз главный фокус (считая от источника света) лежит позади линзы, у рассеивающих — впереди нее. Собирательные линзы придают параллельным лучам сходящееся направление, рассеивающие линзы — расходящееся.

3) Классификация по числу оптических зон

Все линзы можно разделить на однофокальные и многофокальные (мультифокальные). Однофокальные линзы имеют только одну оптическую зону коррекции, которая предназначена либо для зрения вдаль, либо для чтения. Однофокальные линзы бывают стигматическими (они имеют одну оптическую силу для всех меридианов) и астигматическими (линзы характеризуются двумя значениями оптической силы, соответствующими двум главным меридианам).

Качество зрения, вес и даже эстетичность вида линз также принимаются во внимание при разработке дизайна однофокальных линз. Для улучшения оптических свойств внешней поверхности линзы придают вместо сферической формы асферическую (AS). Асферический дизайн не только улучшает качество зрения через линзы за счет устранения аберраций (искажений), но и позволяет сделать линзы более тонкими, легкими и эстетичными, что особенно важно для больших диоптрий.

Мультифокальные очковые линзы имеют две или более зон оптического действия. Они служат для улучшения четкости видения предметов, находящихся на разных расстояниях, и применяются при пресбиопии.

Подразделяются на:

· Бифокальные очковые линзы

· Офисные очковые линзы

· Прогрессивные очковые линзы

Про эти линзы вы сможете узнать подробнее в теме «Очковые линзы для пресбиопов».

4) Классификация по формированию фокуса

С этой точки зрения линзы делятся на стигматические и астигматические.

Стигматические (сферические) линзы пере­мещают фокус вдоль оптической оси. Обе их пре­ломляющие поверхности сферичны. Во всех мери­дианных сечениях такие линзы имеют одинаковую преломляющую силу, которая определяется в ди­оптриях.

Астигматические (цилиндрические) линзы изменяют форму сходимости лучей. Одна их преломляющая поверхность цилиндрическая, другая сферическая. В двух вза­имно перпендикулярных (главных) сечениях име­ют разную преломляющую силу.

5) Классификация по форме преломляющей поверхности

Сферические линзы — линзы наиболее простой и доступной конструкции, при которой обе поверхности сферические и имеют одинаковую преломляющую силу по всем меридианам.

Асферические линзы (AS) – это такие линзы, у которых хотя бы одна поверхность не может быть описана сферическим радиусом, то есть отклоняется от формы сферы. У такой линзы радиус кривизны постепенно изменяется от центра к периферии, напоминая форму эллипса.