Глава III. Типовые оптические детали оптических систем
§ 3.1. Линзы
Линза – деталь из оптически прозрачного материала, ограниченная двумя преломляющими поверхностями, одна из которых, по крайней мере, является не плоской. Оптическая линза является основным элементом оптических систем, осуществляющим собирание или рассеивание пучков света. Линзы изготавливаются из материалов, прозрачных для определенных диапазонов длин волн. Оптические характеристики определяются кривизной поверхности и материалом. В настоящее время все чаще применяются асферические линзы, форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз используют стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы. Линзами также называется и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. Например:
1). Плоские линзы изготавливаются из материала с криволинейным коэффициентом преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра.
2). Линза Френеля - сложная составная линза. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иными поверхностями (как обычные линзы), а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля.
Эта конструкция обеспечивает малую толщину (а следовательно, и вес) линзе Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика, лучи от точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах Френеля).
Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости.
Основным недостатком линзы Френеля является то, что из-за наличия переходных краевых участков между зонами велик уровень паразитной засветки и разного рода «ложных изображений» (по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами). Поэтому её использование для построения оптически точных изображений затруднено.
Применение:
Массово применяется в осветительных устройствах, особенно подвижных, для минимизации веса и затрат на перемещение. Также применяют в акустике при обесшумливании и вибродемпфировании дверей. Изготавливают из вибродемпфирующих материалов. Линзы Френеля применяются в инфракрасных (пирометрических) датчиках движения охранных сигнализаций. Линзы Френеля применяются в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков, в проекционных телевизорах, оверхед-проекторах (кодоскопах), фотовспышках.
1 - линза Френеля; 2 - обычная линза
Линза
Френеля в маяке.
3). «Линзы» воздуха в атмосфере. Неоднородность свойств, в частности, коэффициент преломления (проявляются в виде мерцания изображения звезд в ночном небе).
4). Гравитационные линзы — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами. Гравитационная линза — массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза.
5). Магнитная линза — устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах. Представляет собой цилиндрически симметричный электромагнит с очень острыми кольцевыми наконечниками полюсов, который создаёт в малой области очень сильное неоднородное магнитное поле, которое и отклоняет летящие вертикально через эту область электроны. Магнитные линзы применяются, например, в электронных микроскопах.
С точки зрения конфигурации магнитных полей, магнитная линза — это очень короткий соленоид, который, в свою очередь, широко используется для фокусировки пучков частиц в области относительно низких энергий.
Механизм фокусировки:
Электроны, покидающие источник под некоторым углом по отношению к оси достигают начала электромагнитного поля. Горизонтальная компонента поля отклонят их, за счёт чего они приобретают боковую скорость и, пролетая через сильное вертикальное поле, получают импульс в направлении к оси.
Боковое же движение убирается магнитной силой, когда электроны покидают поле, так что окончательным эффектом будет импульс, направленный к оси, плюс «вращение» относительно неё. Расходящиеся электроны собираются в параллельный пучок. Действие такого устройства подобно действию обычной оптической линзы на расходящиеся лучи света от находящегося в её фокусе объекта. Если поставить ещё одну такую же линзу, то она сфокусирует электроны снова в одну точку и получится изображение источника.
Схема, поясняющая конфигурацию магнитной линзы. Ось ZZ' — направление движения пучка частиц; тёмная штриховка — магнитное ярмо и полюса; штриховка кружочками — токовая обмотка. Ниже приведено распределение продольного магнитного поля.
Линзы можно разделить на 3 группы: положительные, отрицательные, телескопические.
В положительных (собирательных) линзах задний фокус F’ расположен справа от задней главной точки Н’. Такие линзы отклоняют параллельные лучи к оптической оси. (Рис.3.1.а.).
В отрицательных (рассеивающих) линзах задний фокус F’ находится левее задней главной точки Н’. Такие линзы отклоняют луч от оптической оси. (Рис.3..б.).
Телескопические линзы преобразуют параллельные лучи, падающие в них, также в параллельные. Фокусы преломляющих поверхностей у таких линз совпадают. (Рис.3.2.а.)
По виду кривизны поверхности можно выделить 3 вида линз:
Линзы, имеющие различные радиусы кривизны поверхностей (Рис. 3.1.а и б). У них главные плоскости лежат внутри линз.
Линзы, у которых одна поверхность является плоской, - плосковыгнутые и плосковогнутые. У них одна главная плоскость проходит через вершину неплоской поверхности. (Рис.3.2.б).
Линзы, имеющие одинаковые знаки радиусов кривизны поверхности, называются менисками. (Рис.3.2.в).