Калькулятор фокусного расстояния тонкой линзы • Фотометрия

Равные виды линз

Линзой (сферической*) называют прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями (в частности, одна из поверхностей может быть плоскостью). По форме линзы делятся на выпуклые (рис. 3.50) и вогнутые (рис. 3.51).

Если толщина линзы d во много раз меньше радиусов

Обычно выпуклые линзы являются собирающими: параллельные лучи, которые падают на собирающую линзу, пройдя сквозь нее, пересекаются в одной точке (рис. 3.53).

Вогнутые линзы чаще всего бывают рассеивающими: параллельные лучи после прохождения сквозь рассеивающую линзу выходят расходящимся пучком (рис. 3.54).

Линзы также бывают цилиндрическими, но встречаются такие линзы редко.

Характеристики линз

Проведем прямую, которая проходит через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Эту прямую называют главной оптической осью линзы. Точку линзы, которая расположена на главной оптической оси и через которую луч света проходит, не изменяя своего направления, называют оптическим центром линзы (рис. 3.55). На рисунках оптический центр линзы обычно обозначают буквой О.

Точку, в которой собираются после преломления лучи, параллельные главной оптической оси собирающей линзы, называют действительным фокусом собирающей линзы (рис. 3.56).

Если пучок лучей, параллельных главной оптической оси, направить на рассеивающую линзу, то после преломления они выйдут расходящимся пучком.

Однако их продолжения соберутся в одной точке на главной оптической оси линзы (рис. 3.57). Эту точку называют мнимым фокусом рассеивающей линзы.

На рисунках фокус линзы обозначают буквой F.

Расстояние от оптического центра линзы до фокуса называют фокусным расстоянием линзы.

Фокусное расстояние обозначается символом F и измеряется в метрах. Фокусное расстояние собирающей линзы договорились считать положительным (F>0), а рассеивающей — отрицательным (F<0).

Очевидно, что чем сильнее преломляющие свойства линзы, тем меньшим будет ее фокусное расстояние (рис. 3.58).

Физическая величина, характеризующая преломляющие свойства линзы и обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы.

Оптическая сила линзы обозначается символом D и вычисляется по формуле где F — фокусное расстояние линзы.

Единицей оптической силы является диоптрия

1 диоптрия (дптр) — это оптическая сила такой линзы, фокусное рас стояние которой равняется 1 м.

Если линза собирающая, то ее оптическая сила положительна. Оптическая сила рассеивающей линзы отрицательна. Например, оптическая сила линз в бабушкиных очках +3 дптр, а в маминых -3 дптр. Это означает, что в бабушкиных очках стоят собирающие линзы, а в маминых — рассеивающие.  

Пример №1

Оптическая сила линзы равняется -1,6 дптр. Каково фокусное расстояние этой линзы? Эта линза собирающая или рассеивающая?

Дано:

Анализ физической проблемы

Для определения фокусного расстояния этой линзы воспользуемся формулой для вычисления оптической силы линзы. Поскольку 1)< 0, то линза рассеивающая.

Поиск математической модели, решение:

Определим числовое значение искомой величины:

Ответ: F = -62,5 см, линза рассеивающая.

Итоги:

Прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями, называют линзой. Линзы бывают собирающими и рассеивающими, а по форме — выпуклыми и вогнутыми.

Линза называется собирающей, если пучок параллельных лучей, падающий на нее, после преломления в линзе пересекается в одной точке. Эту точку называют действительным фокусом линзы.

Линза называется рассеивающей, если параллельные лучи, падающие на нее, после преломления в линзе идут расходящимся пучком, однако продолжения этих преломленных лучей пересекаются в одной точке. Эта точка называется мнимым фокусом линзы.

Физическая величина, характеризующая преломляющие свойства линзы и являющаяся обратной фокусному расстоянию линзы, называется оптической силой линзы = Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях (дптр).  

Формула тонкой линзы

Сейчас никого не удивляет, что можно увидеть бактерии и другие микроорганизмы, рассмотреть невидимые невооруженным глазом детали рельефа поверхности Луны или полюбоваться портретом, нарисованным на маковом зернышке. Все это стало возможным потому, что с по мощью линзы получают разные по размеру изображения предметов.

Изображение предмета, полученное с помощью линзы

Расположив последовательно зажженную свечу, собирающую линзу и экран, получим на экране четкое изображение пламени свечи (рис. 3.59). Изображение может быть как большим, так и меньшим, чем само пламя, или равным ему — в зависимости от расстояния между свечой и экраном. Чтобы выяснить, при каких условиях с помощью линзы образуется то или иное изображение предмета, рассмотрим приемы его построения.  

Строим изображение предмета, которое дает тонкая линза

Любой предмет можно представить как совокупность точек. Каждая точка предмета, который светится собственным или

1. — луч, проходящий через оптический центр О линзы (не преломляется и не изменяет своего направления);
2. — луч, параллельный главной оптической оси / линзы (после преломления в линзе идет через фокус F);
3. — луч, проходящий через фокус F (после преломления в линзе идет параллельно главной оптической оси/линзы)
4. отраженным светом, испускает лучи во всех направлениях.

Для построения изображения точки S, получаемого с помощью линзы, достаточно найти точку пересечения , любых двух лучей, выходящих из точки S и проходящих сквозь линзу (точка и будет действительным изображением точки S). Кстати, в точке пересекаются все лучи, выходящие из точки S, однако для построения изображения достаточно двух лучей (любых из трех показанных на рис. 3.60).

Изобразим схематически предмет стрелкой АВ и удалим его от линзы на расстояние, большее, чем 2F (за двойным фокусом) (рис. 3.61, а). Сначала построим изображение точки В. Для этого воспользуемся двумя «удобными* лучами (луч 1 и луч 2). Эти лучи после преломления в линзе пересекутся в точке . Значит, точка является изображением точки В. Для построения изображения точки А из точки опустим перпендикуляр на главную оптическую ось /. Точка пересечения перпендикуляра и оси / и является точкой

Значит, и является изображением предмета АВ, полученное с помощью линзы. Мы видим: если предмет расположен за двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение, полученное с помощью линзы, будет уменьшенным, перевернутым, действительным. Такое изображение получается, например, на пленке фотоаппарата (рис. 3.61, б) или сетчатке глаза.

На рис. 3.62, а показано построение изображения предмета АВ, полученного с помощью собирающей линзы, в случае, когда предмет расположен

Изображение предмета в этом случае будет увеличенным, перевернутым, действительным. Такое изображение позволяет получить проекционная аппаратура на экране (рис. 3.62, б).

Если поместить предмет между фокусом и линзой, то изображения на экране мы не увидим. Но, посмотрев на предмет сквозь линзу, увидим изображение предмета — оно будет прямое, увеличенное.

Используя «удобные лучи» (рис. 3.63, а), увидим, что после преломления в линзе реальные лучи, вышедшие из точки В, пойдут расходящимся пучком. Однако их продолжения пересекутся в точке В,. Напоминаем, что в этом случае мы имеем дело с мнимым изображением предмета. То есть если предмет расположен между фокусом и линзой, то его изображение бу дет увеличенным, прямым, мнимым, расположенным с той же стороны от линзы, что и сам предмет. Такое изображение можно получить с помощью лупы (рис. 3.63, б) или микроскопа.

Итак, размеры и вид изображения, полученного с помощью собирающей линзы, зависят от расстояния между предметом и этой линзой.

Внимательно рассмотрите рис. 3.64, на котором показано построение изображения предмета, полученного с помощью рассеивающей линзы. Построение показывает, что рассеивающая линза всегда дает мнимое, уменьшенное, прямое изображение предмета, расположенное с той же стороны от линзы, что и сам предмет.

Мы часто сталкиваемся с ситуацией, когда предмет значительно больше, чем линза (рис. 3.65), или когда часть линзы закрыта непрозрачным экраном (например, линза объектива фотоаппарата). Как создается изображение в этих случаях? На рисунке видно, что лучи 2 и 3 при этом не проходят через линзу. Однако мы, как и раньше, можем использовать эти лучи для построения изображения, получаемого с помощью линзы. Поскольку реальные лучи, вышедшие из точки В, после преломления в линзе пересекаются в одной точке — то «удобные лучи*, с помощью которых мы строим изображение, тоже пересеклись бы в точке

Как выглядит формула тонкой линзы

Существует математическая зависимость между расстоянием d от предмета до линзы, расстоянием f от изображения предмета до линзы и фокусным расстоянием F линзы. Эта зависимость называется формулой тонкой линзы и записывается так:

Пользуясь формулой тонкой линзы для решения задач, следует иметь в виду: расстояние f (от изображения предмета до линзы) следует брать со знаком минус, если изображение мнимое, и со знаком плюс, если изображение действительное; фокусное расстояние F собирающей линзы положительное, а рассеивающей — отрицательное.

Пример №2

Рассматривая монету с помощью лупы, оптическая сила которой +5 дптр, мальчик расположил монету на расстоянии 2 см от лупы. Определите, на каком расстоянии от лупы мальчик наблюдал изображение монет

Дано:

d = 2 см = 0,02 м

D = + 5 дптр

f- ?

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Лупу можно считать тонкой линзой, поэтому чтобы найти расстояние от лупы до изображения, воспользуемся формулой тонкой линзы Фокусное расстояние F неизвестно, но мы знаем, что (2), где

D — оптическая сила линзы, данная в условии задачи. Решение и анализ результатов

Подставив формулу (2) в формулу (1), получаем Проверим единицу:

Найдем числовое

Проанализируем результат: знак ♦-* говорит о том, что изображение является мнимым.

Ответ: f = -21 см, изображение мнимое.

Итоги:

В зависимости от вида линзы (собирающая или рассеивающая) и местоположения предмета относительно этой линзы получают разные изображения предмета с помощью линзы (см.таблицу):

Таким образом, по типу изображения можно судить так и о местоположении предмета относительно нее.

Расстояние d от предмета до линзы, расстояние f от изображения до линзы и фокусное расстояние F связаны формулой тонкой линзы:

Корректирующие линзы

Люди пользуются корректирующими линзами в форме очков с конца XIII столетия. Бифокальные очки изобрели в конце XVIII века. Первые прогрессивные линзы появились в середине XX века. Достижения в области компьютерной техники и химии позволили изготовлять прогрессивные линзы со сложной формой поверхности с помощью полностью автоматизированных управляемых компьютерами машин. Я надеюсь, что лет через десять смогу примерить очки, которые будут автоматически изменять фокусное расстояние в зависимости от угла наклона головы или по командам голосом и будут лишены недостатков прогрессивных линз.

Некоторые считают, что бифокальные очки морально устарели. Я с ними не согласен. Я пробовал и бифокальные, и прогрессивные и, как мне кажется, прогрессивные очки совершенно не годятся, например, для вождения, особенно если разность в оптической силе верхней и нижней части более двух диоптрий — слишком большие периферийные искажения и слишком мало резкое поле зрения, что очень важно при вождении автомобиля. Пока (статья написана в 2017 году) бифокальные очки намного лучше прогрессивных, которые, на мой взгляд, просто опасны для водителей.

Бифокальные очки

Видео

Как вычислить оптическую силу рассеивающей линзы в диоптриях?

Для расчёта оптической силы рассеивающей линзы используем следующие выражения:

Ds=1/(S1*S2)^0,5+1/(L-(S1*S2)^0.5)

Dw=1/(R1*R2)^0,5+1/(L-(R1*R2)^0.5)

Dr=Dw-Ds

L – расстояние между светодиодом и мишенью в метрах

S1 – первый замер расстояния от мишени до собирающей линзы в метрах

S2 – второй замер расстояния от мишени до собирающей линзы в метрах

R1 – первый замер расстояния от мишени до системы линз в метрах

R2 – второй замер расстояния от мишени до системы линз в метрах

Ds – оптическая сила собирающей линзы в диоптриях

Dw – оптическая сила системы линз в диоптриях

Dr – оптическая сила рассеивающей линзы в диоптриях

Я нарочно разбил формулу на три части, чтобы были видны промежуточные результаты в программе «Калькулятор-блокнот».

Просто скопируйте следующий ниже текст в окно калькулятора и внесите туда же полученные вами пять значений: L, S1, S2, R1, R2. Затем нажмите Enter, чтобы узнать оптическую силу рассеивающей линзы в диоптриях.

\\От мишени до светодиода (метр) L= \\От мишени до лупы (метр) S1= S2= \\От мишени до системы линз (метр) R1= R2= \\Оптическая сила лупы (диоптрия) Ds=1/(S1*S2)^0,5+1/(L-(S1*S2)^0.5) \\Оптическая сила системы линз (диоптрия) Dw=1/(R1*R2)^0,5+1/(L-(R1*R2)^0.5) \\Оптическая сила рассеивающей линзы (диоптрия) Dw-Ds

Это пример расчёта рассеивающей очковой линзы или отрицательного мениска. Красным цветом выделены результаты измерений и полученный результат в диоптриях.

Пресбиопия

Хотя название пресбиопия и выглядит как название болезни и присутствует в различных классификаторах болезней и проблем, связанных со здоровьем, это, скорее, не болезнь, а неизбежное нарушение рефракции глаза — результат естественного старения организма. Пресбиопия — такое же неизбежное изменение организма, как седина или морщины. Люди с таким нарушением зрения не могут рассмотреть предметы вблизи и в то же время нормально видят удаленные предметы. Пресбиопия связана с потерей эластичности хрусталика и, возможно, с ослаблением цилиарной мышцы, которая сжимает хрусталик, увеличивая его преломляющую способность для рассматривания близких предметов. Пожилым людям приходится для этой цели пользоваться очками или лупой. Способность глаза увеличивать оптическую силу для фокусировки на сетчатке изображений ближних предметов называется аккомодацией. Люди и другие млекопитающие изменяют фокусное расстояние оптической системы глаза путем деформации хрусталика с помощью цилиарной мышцы. В то же время рыбы и амфибии достигают того же эффекта путем перемещения хрусталика относительно сетчатки — точно так же, как это делается в объективах фотокамер, в которых линзы объектива перемещается относительно плоскости матрицы. Когда цилиарная мышца сокращается, толщина хрусталика увеличивается, он становится более выпуклым и, таким образом, позволяет рассматривать предметы вблизи.

Диапазон аккомодации маленьких детей — 20 и более диоптрий

Способность фокусировать глаза на расположенные вблизи предметы ухудшается с возрастом. Диапазон аккомодации маленьких детей — 20 и более диоптрий (то есть от +20 до 0 диоптрий или от 5 см до бесконечности). Молодые люди имеют амплитуду аккомодации вдвое меньше — 10 диоптрий (от +10 до 0 диоптрий или от 10 см до бесконечности). Люди преклонного возраста старше 60 лет могут четко видеть предметы только от приблизительно одного или двух метров до бесконечности, то есть их амплитуда аккомодации составляет всего 0,5–1 диоптрию. Именно поэтому люди старшего возраста носят бифокальные, трифокальные или прогрессивные очки — такие очки компенсируют почти полное отсутствие аккомодации. Две или три пары правильно подобранных для разных видов деятельности бифокальных или прогрессивных очков позволяют практически полностью скомпенсировать отсутствие аккомодации и снова видеть как в молодости.

Амплитуда аккомодации молодых людей — около 10 диоптрий

Определение диоптрии

Для объективов всегда указывают фокусное расстояние f. А для очков, как правило, указывают оптическую силу Ф — величину, обратную f. Ее измеряют в диоптриях, внесистемных единицах. Также она обозначается D. Ее можно измерить с помощью специального прибора, который называется диоптриметром.

$1дптр=1{м}^{—1}.$

Следовательно, если Ф — + 2 дптр, то линза — собирающая, и ее фокусное расстояние f будет равным 50 см. У собирающих оптических систем оптическая сила всегда положительна, у рассеивающих — отрицательна.Оптическую силу можно вычислить, зная показатель преломления материала n и радиусы кривизны поверхностей, обозначаемые $r_1$ и $r_2.$

Формула 3

Для этого нужно воспользоваться следующей формулой: Ф=(n-1)(1r1-1r2).

Мелкие подробности

В случае появления дискомфорта при использовании очков, можно проверить правильность установки линз

Если при одновременной фокусировке обеих линз, оправа окажется расположенной непараллельно мишени, значит в очки были установлены линзы с разной оптической силой. Также следует проверить расстояние между оптическим осями линз. Оно не должно отличаться от записанного в рецепте более чем на 1мм.

Как в домашних условиях измерить расстояние между оптическими осями рассеивающих линз, я не знаю.

Производя замеры межцентрового расстояния для бифокальных очков, можно заметить, что расстояния между оптическим осями основных и дополнительных линз будет отличаться на 2мм. Причём, для бифокальных сегментных линз (БСС), это расстояние заложено в саму конструкцию линзы, поэтому его легко проконтролировать на глазок, по параллельности расположения хорд малых линз.

А вот обычные бифокальные линзы (БС) могут быть установлены с недопустимой погрешностью и в случае дискомфорта, нужно проверить оба межцентровых расстояния.

Стоит также упомянуть тот факт, что чем больше оптическая сила очковых линз, тем точнее следует контролировать межцентровое расстояние.

Как правило, сферические фабричные очковые линзы выпускаются с дискретными значениями оптической силы, кратными 1/4 диоптрии.

Однако результаты вычислений могут отличаться от дискретных значений немного больше, чем можно было бы ожидать. Это может быть связано недостаточной точностью измерения и фокусировки линзы.

Для повышения точности измерений, можно увеличить число замеров, соответственно увеличив и степень извлекаемого корня.

Шаблон для измерения рассеивающей линзы для калькулятора методом четрырёх измерений:

\\От мишени до светодиода (метр) L= \\От мишени до собирающей линзой (метр) S1= S2= S3= S4= \\От мишени до системы линз (метр) R1= R2= R3= R4= \\Оптическая сила собирающей линзы (диоптрия) Ds=1/(S1*S2*S3*S4)^0,25+1/(L-(S1*S2*S3*S4^0,25)) \\Оптическая сила системы линз (диоптрия) Dw=1/(R1*R2*R3*R4)^0,25+1/L-((R1*R2*R3*R4)^0,25) \\Оптическая сила рассеивающей линзы (диоптрия) Dw-Ds

Формула для расчета фокусного расстояния

Для фокусного расстояния можно провести множество различных вычислений в зависимости от того, соотношение каких величин вас интересует. Можно использовать и упрощенные формулы — такие результаты тоже будут достаточно точны.

Например, если вы хотите вычислить нормальное фокусное расстояние для размера сенсора вашей камеры, то вам поможет теорема Пифагора. Вам понадобиться выяснить длину диагонали сенсора, а она равна корню суммы квадратов длины и ширины матрицы.

Если вы хотите знать, какому объективу полнокадровой камеры соответствует ваше оборудование, сначала понадобится выяснить кроп-фактор фотоаппарата. Затем просто умножьте фокусное расстояние вашего объектива на значение кроп-фактора. Например, кроп-фактор для камер с сенсором Micro Four Thirds равняется 2. Соответственно, фокусное расстояние 25 мм на камерах Micro Four Thirds соответствует фокусному расстоянию 50 мм на камерах с полнокадровой матрицей.

Теги