Что такое фокальная плоскость линзы

Тонкие линзы

Линза – это прозрачное тело, имеющая 2 сферические поверхности. Она, является тонкой, если ее толщина меньше радиусов кривизны сферических поверхностей.

Линза, имеющая большую толщину по краям, называется рассеивающей.

Главная оптическая ось – это прямая, которая проходит через центры кривизны O 1 и O 2 сферических поверхностей.

Побочные оптические оси – это прямые, проходящие через оптический центр.

Эта точка получила название главный фокус линзы.

Тонкая линза имеет два главных фокуса, которые располагаются симметрично на главной оптической оси по отношению к линзе.

Фокус собирающей линзы – действительный, а у рассеивающей – мнимый.

Главным свойством линз является способность передавать изображения предметов. Они, в свою очередь, бывают:

Построение изображения в линзах

Величина D – это оптическая сила линзы, равная обратному фокусному расстоянию.

Величина d и f тоже подчиняются определенным знакам:

Линейные размеры изображения зависят от положения предмета по отношению к линзе.

Выпуклая поверхность имеет положительный радиус кривизны, а вогнутая поверхность – отрицательным. Данная формула применима в изготовлении линз с заданной оптической силой.

Астрономическая труба Кеплера и земная труба Галилея

Тонкая линза имеет некоторые недостатки, которые не позволяют получать изображения высокого разрешения.

Аберрация – это искажение, которое возникает в процессе формирования изображения. В зависимости от расстояния, на котором проводится наблюдение, аберрации могут быть сферическими и хроматическими.

Смысл сферической аберрации в том, что при широких световых пучках лучи, находящиеся на далеком расстоянии от оптической оси, пересекают ее не в месте фокуса. Формула тонкой линзы действует лишь для лучей, которые находятся близко к оптической оси. Изображение удаленного источника, которое создается широким пучком лучей, преломленных линзой, размыто.

Современные оптические приборы оснащены не тонкими линзами, а сложными линзовыми системами, в которых есть возможность исключить некоторые искажения.

В таких приборах, как фотоаппараты, проекторы и т.д., используются собирающие линзы для формирования действительных изображений предметов.

Что представляет собой фотоаппарат

Фотоаппарат – это замкнутая светонепроницаемая камера, в которой изображение запечатленных предметов создается на пленке системой линз – объективом. На время экспозиции объектив открывается и закрывается с помощью специального затвора.

Источник

Линза. Виды линз. Фокусное расстояние.

теория по физике 🧲 оптика

Мы уже познакомились с явлением преломления света на границе двух плоских сред. Но на практике особый интерес представляет явление преломления света на сферических поверхностях линз.

Линза — прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями.

Какими бывают линзы?

По форме различают следующие виды линз:

Выпуклые линзы тоже имеют разновидности:

Разновидности вогнутых линз:

Тонкая линза

Мы будем говорить о линзах, у которых толщина l = AB намного меньше радиусов сферических поверхностей этой линзы R₁ и R₂. Такие линзы называют тонкими.

Тонкая линза — линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусами сферических поверхностей, которыми она ограничена.

Главная оптическая ось тонкой — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы (на рисунке она соответствует прямой O₁O₂).

Оптический центр линзы — точка, расположенная в центре линзы на ее главной оптической оси (на рисунке ей соответствует точка О). При прохождении через оптический центр линзы лучи света не преломляются.

Побочная оптическая ось — любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы.

Изображение в линзе

Подобно плоскому зеркалу, линза создает изображения источников света. Это значит, что свет, исходящий из какой-либо точки предмета (источника), после преломления в линзе снова собирается в точку (изображение) независимо от того, какую часть линзы прошли лучи.

Оптическое изображение — картина, получаемая в результате действия оптической системы на лучи, испускаемые объектом, и воспроизводящая контуры и детали объекта.

Практическое использование изображений часто связано с изменением масштаба изображений предметов и их проектированием на поверхность (киноэкран, фотоплёнку, фотокатод и т. д.). Основой зрительного восприятия предмета является его изображение, спроектированное на сетчатку глаза.

Изображения разделяют на действительные и мнимые. Действительные изображения создаются сходящимися пучками лучей в точках их пересечения (см. рисунок а). Поместив в плоскости пересечения лучей экран или фотоплёнку, можно наблюдать на них действительное изображение.

Если лучи, выходящие из оптической системы, расходятся, но если их мысленно продолжить в противоположную сторону, они пересекутся в одной точке (см. рисунок б). Эту точку называют мнимым изображением точки-объекта. Она не соответствует пересечению реальных лучей, поэтому мнимое изображение невозможно получить на экране или зафиксировать на фотоплёнке. Однако мнимое изображение способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу или собирающей линзе), которая преобразует его в действительное.

Собирающая линза

Обычно линзы изготавливают из стекла. Все выпуклые линзы являются собирающими, поскольку они собирают лучи в одной точке. Любую из таких линз условно можно принять за совокупность стеклянных призм. В воздухе каждая призма отклоняет лучи к основанию. Все лучи, идущие через линзу, отклоняются в сторону ее главной оптической оси.

Если на линзу падают световые лучи, параллельные главной оптической оси, то при прохождении через нее они собираются на одной точке, лежащей на оптической оси. Ее называют главным фокусом линзы. У выпуклой линзы их два — второй главный фокус находится с противоположной стороны линзы. В нем будут собираться лучи, которые будут падать с обратной стороны линзы.

Главный фокус линзы обозначают буквой F.

Фокусное расстояние — расстояние от главного фокуса линзы до их оптического центра. Оно обозначается такой же букой F и измеряется в метрах (м).

В однородных средах главные фокусы собирающих линз находятся на одинаковом расстоянии от оптического центра.

Пример №1. Что произойдет с фокусным расстоянием линзы, если ее поместить в воду?

Вода — оптически более плотная среда, поэтому преломленные лучи будут располагаться ближе к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред. Следовательно, фокусное расстояние увеличится. На рисунке лучам, выходящим из линзы в воздухе, соответствуют красные линии. Лучам, выходящим из линзы в воде — зеленые. Видно, что зеленые линии больше приближены к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред, что соответствует закону преломления света.

Направим три узких параллельных пучка лучей от осветителя под углом к главной оптической оси собирающей линзы. Мы увидим, что пересечение лучей произойдет не в главном фокусе, а в другой точке (рисунок а). Но точки пересечения независимо от углов, образуемых этими пучками с главной оптической осью, будут располагаются в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси линзы и проходящей через главный фокус (рисунок б). Эту плоскость называют фокальной плоскостью.

Поместив светящуюся точку в фокусе линзы (или в любой точке ее фокальной плоскости), получим после преломления параллельные лучи.

Если сместить источник дальше от фокуса линзы, лучи за линзой становятся сходящимися и дают действительное изображение.

Когда же источник света находится ближе фокуса, преломленные лучи расходятся и изображение получается мнимым.

Рассеивающая линза

Вогнутые линзы обычно являются рассеивающими (лучи, выходя из них, не собираются, а рассеиваются). Это бывает если, поместить вогнутую линзу в оптически менее плотную среду по сравнению с материалом, из которого изготовлена линза. Так, стеклянная линза в воздухе является рассеивающей.

Если направить на вогнутую линзы световые лучи, являющиеся параллельными главной оптической оси, то образуется расходящийся пучок лучей. Если провести их продолжения, то они пересекутся в главном фокусе линзы. В этом случае фокус (и изображение в нем) является мнимым. Этот фокус располагается на фокусном расстоянии, равном F.

Другой мнимый фокус находится по другую сторону линзы на таком же расстоянии при условии, что среда по обе стороны линзы одинаковая.

Оптическая сила линзы

Оптическая сила линзы — величина, характеризующая преломляющую способность симметричных относительно оси линз и центрированных оптических систем, состоящих из таких линз.

Обозначается оптическая сила линзы буквой D. Единица измерения — диоптрий (дптр). Оптической силой в 1 дптр обладает линза с фокусным расстоянием 1 м.

Оптическая сила линзы равна величине, обратной ее фокусному расстоянию:

На рисунке показан ход двух лучей от точечного источника света А через тонкую линзу. Какова приблизительно оптическая сила этой линзы?

Источник

В сегодняшней статье мы постараемся объяснить понятие фокальной плоскости простым и понятным языком, а также приведем описание сопутствующих терминов, которые могут сыграть решающую роль в выборе прицела.

Что означает понятие фокальная плоскость

Для начала разберемся, что означает понятие фокальной плоскости. Итак, в оптической науке она представляет собой плоскость, которая располагается перпендикулярно оптической оси. Кроме того, она может проходить через передний или задний фокус. Называться такая плоскость будет передней или задней соответственно.

Если представить себе идеальную оптическую систему, то в ней фокальная плоскость пространства изображений неразделима с бесконечно длинным пространством предметов. Выражаясь более простым языком, она представляет собой совокупность фокусов всех наклонных и параллельных друг другу лучей (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема первой и второй фокальной плоскости

В реальности поверхности с подобными характеристиками не являются плоскостями, поскольку поверхность изображения не совпадает с плоскостью. Это понятие называется кривизной поля изображения.

Что такое фокус и фокусное расстояние

С фокальной плоскостью окуляра или любой другой оптики неразрывно связаны еще несколько понятий, в частности – фокус и фокусное расстояние.

Итак, фокус представляет собой конкретную точку на оси оптического прибора, на линзе которого проводится построение изображения точки. Она, в свою очередь, лежит в бесконечности на оптической оси (рисунок 2).

Рисунок 2. Фокус и фокусное расстояние тоже используются при выборе оптического прицела

Фокусное расстояние – это промежуток между точкой фокуса и задней главной плоскостью линзы оптического прибора. В данном случае для вычисления этого расстояния важную роль играет толщина линзы. Но, если ее можно не принимать в расчет, измерение проводят от центра линзы до точки фокуса. Эти два понятия также нужно изучить перед тем, как выбрать прицел или другое оптическое оборудование.

Определение фокальной плоскости

С точки зрения оптического прицела, фокальная плоскость играет важную роль, так как прицельную сетку можно строить либо в первой фокальной плоскости, либо во второй.

Чем же отличаются эти понятия? Сразу следует уточнить, что построение прицела в первом или втором фокале имеет свои преимущества и недостатки.

Первая фокальная плоскость обладает следующими плюсами:

Прицельная сетка, расположенная во второй фокальной плоскости, тоже имеет свои преимущества. В частности, стрелок может выставить прицел более точно, так как расположение во втором фокале предполагает более гибкие и индивидуальные настройки. Однако следует учитывать, что в данном случае искажение изображения повышается (например, из-за света из соседних точек, находящихся рядом с целью).

Базовые понятия

Поскольку первая и вторая фокальная плоскость считаются основными понятиями при выборе оптического прицела, рассмотрим, как будет выглядеть местность в каждом из типов прицела (рисунок 3).

Рисунок 3. Внешний вид объекта в прицеле первой и второй фокальной плоскости

Итак, если оптическая сетка расположена перед оборачивающейся системой (находится в первом фокале), стрелок может менять увеличение прицела с помощью трансфокатора. В данном случае оптическая сетка тоже будет масштабироваться пропорционально. Однако угловые размеры будут оставаться прежними, вне зависимости от увеличения. Можно сделать вывод, что такие прицелы и объективы отлично подходят для определения дистанций и внесения поправок стрельбы по баллистическим таблицам.

Если сетка располагается между оборачивающейся системой и окуляром, то есть лежит во втором фокале, она остается неизменно тонкой при любых увеличениях, но откалибрована она только до определенного значения.

В данном случае угловые размеры будут иметь разное значение для каждого конкретного увеличения. Это может показаться не очень удобным, так как стрелку придется постоянно сверяться со специальной таблицей, но на практике такие прицелы такой фокальной плоскости позволяют ставить визуальную метку и вести прицельную стрельбу даже по очень мелким объектам с большого расстояния.

Действительные и мнимые изображения

При выборе прицела первой или второй фокальной плоскости также учитывают понятия действительного и мнимого изображения.

Соответствие оптического изображения конкретному объекту достигается в том случае, если каждой его реальной точке соответствует аналогичная оптическая точка. Здесь и вступают в силу понятия действительного и мнимого изображения.

Для создания действительного изображения световые лучи, пересекаясь, должны сойтись в конкретной точке. Такие изображения можно наблюдать в объективах фото и видеокамер.

Рисунок 4. Вид мнимого изображения, полученного через рассеивающую линзу

Мнимое изображение формируется, когда лучи от конкретной точки, проходя через оптическую систему, образуют расходящийся пучок (рисунок 4). Если продлить эти лучи в противоположную сторону, они сойдутся в определенной точке. Совокупность таких точек и формирует мнимое изображение. Такую картинку нельзя наблюдать в объективе или на экране, но можно трансформировать в действительное изображение. Яркие примеры – микроскоп, бинокль или лупа.

Область применения

Можно сделать вывод, что понятие фокальной плоскости нашло широкое применение во всех сферах, тем или иным образом связанных с оптикой.

Например, для охоты, тренировочной стрельбы или ведения военных действий часто нужны точные прицельные выстрелы, реализовать которые можно только путем оптического прицела. Кроме того, данный термин часто встречается среди фотографов и операторов, в научной среде, ориентировании и морском деле.

Рекомендации по выбору оптического прицела с учетом понятия фокальной плоскости приведены в видео.

Источник

Фокальная плоскость

Фока́льная пло́скость в параксиальной оптике — плоскость, на которой расположены точки, в которых собираются попавшие в систему плоскопараллельные пучки лучей. В реальной оптике поверхность, обладающая такими свойствами, плоскостью, вообще говоря, не является. Аберрация, связанная с несоответствием данной поверхности с плоскостью, называется кривизной поля изображения.

Для тонких линз фокальной плоскостью является плоскость перпендикулярная главной оптической оси, проходящая через фокус.

См. также

Фотография
Жанры	Автопортрет • Архитектурная • Документальная • Ломография • Макросъёмка • Микрофотография • Мобилография • Натюрморт • Ночная съёмка • Обнажённая натура • Панорамная съёмка • Пейзаж • Подводная съёмка • Портрет • Посмертная • Рекламная • Репродукция • Свадебная • Уличная • Фотоохота • Фоторепортаж
Типы фотоаппаратов	Однообъективный зеркальный • Двухобъективный зеркальный • Дальномерный • Шкальный • Простейший • Крупноформатный • Среднеформатный • Малоформатный • Полуформатный • Компактный • Панорамный • Стереоскопический • Цифровой • Цифровой зеркальный • Псевдозеркальный цифровой • Беззеркальный цифровой со сменными объективами
Термины	Баланс белого • Боке • Виньетирование • Главный фокус • Глубина резкости • Диафрагмирование • Дисторсия • Кадрирование • Кроп-фактор • Освещённость • Относительное отверстие • Пятно рассеяния • Рабочий отрезок • Светосила • Синхронизация фотовспышки • Фокальная плоскость • Фокусное расстояние • Фотографическая широта • Экспозиция
Производители	Agfa • Canon • Casio • Eastman Kodak • Fujifilm • Hama • Konica • Konica Minolta • Leica • Minolta • Nikon • Olympus • Panasonic Lumix • Pentax • Polaroid • Ricoh • Samsung • Sigma Corporation • Sony • Tamron • БелОМО • Арсенал • КМЗ • ЛОМО • ФЭД
Техника	Автофокус • Адаптер • Байонет • Бленда • Видоискатель • Дальномер • Затвор • Матрица • Меха • Мира • Наглазник • Насадочная линза • Объектив • Репетир диафрагмы • Светофильтр • Телеконвертер • Трансфокатор • Удлинительные кольца • Фильтр Байера • Фотовспышка • Фоторегистратор • Фоторужьё • Штатив • Экспонометр
Портал • Список фотографов • Проект • Список самых дорогих фотографий

Полезное

Смотреть что такое «Фокальная плоскость» в других словарях:

ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ — оптической системы плоскость, перпендикулярная оптической оси системы и проходящая через ее главный фокус … Большой Энциклопедический словарь

фокальная плоскость — Плоскость, перпендикулярная оптической оси и проходящая через фокус. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики физическая оптика Обобщающие… … Справочник технического переводчика

ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ — плоскость, проходящая через главный (см.) линзы перпендикулярно главной оптической оси … Большая политехническая энциклопедия

ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ — (см. ФОКУС В ОПТИКЕ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

фокальная плоскость — оптической системы, плоскость, перпендикулярная оптической оси системы и проходящая через её главный фокус. * * * ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ оптической системы, плоскость, перпендикулярная оптической оси системы и проходящая через ее … Энциклопедический словарь

фокальная плоскость — židinio plokštuma statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. focal plane vok. Brennebene, f; Fokalebene, f rus. фокальная плоскость, f pranc. plan focal, m … Fizikos terminų žodynas

Фокальная плоскость — плоскость, перпендикулярная к оптической оси системы и проходящая через её главный фокус … Астрономический словарь

ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ — оптич. системы, плоскость, перпендикулярная оптич. оси системы и проходящая через её гл. фокус … Естествознание. Энциклопедический словарь

Фокальная плоскость — см. Фокус в оптике … Большая советская энциклопедия

фокальная плоскость светового прибора — Экваториальная плоскость, проходящая через фокус оптической системы светового прибора. [ГОСТ 16703 79] Тематики лампы, светильники, приборы и комплексы световые … Справочник технического переводчика

Источник

Тонкие линзы. Ход лучей.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: линзы, оптическая сила линзы

Понятие тонкой линзы.

Рис. 1. К определению тонкой линзы

Так вот, линза считается тонкой, если её толщина очень мала. Нужно, правда, уточнить: мала по сравнению с чем?

Рис. 2. Обозначение тонкой собирающей линзы

Рис. 3. Обозначение тонкой рассеивающей линзы

Оптический центр и фокальная плоскость.

Оптическая сила измеряется в диоптриях (дптр). Так, если фокусное расстояние линзы равно 25 см, то её оптическая сила:

Рис. 4. Побочная оптическая ось, фокальная плоскость и побочный фокус

Теперь мы переходим к рассмотрению хода лучей в тонких линзах. Мы будем предполагать, что лучи являются параксиальными, то есть образуют достаточно малые углы с главной оптической осью. Если параксиальные лучи исходят из одной точки, то после прохождения линзы преломлённые лучи или их продолжения также пересекаются в одной точке. Поэтому изображения предметов, даваемые линзой, в параксиальных лучах получаются весьма чёткими.

Ход луча через оптический центр.

Как мы знаем из предыдущего раздела, луч, идущий вдоль главной оптической оси, не преломляется. В случае тонкой линзы оказывается, что луч, идущий вдоль побочной оптической оси, также не преломляется!

Объяснить это можно следующим образом. Вблизи оптического центра обе поверхности линзы неотличимы от параллельных плоскостей, и луч в данном случае идёт как будто через плоскопараллельную стеклянную пластинку (рис. 5 ).

Рис. 5. Ход луча через оптический центр линзы

Рис. 6. Луч, идущий через оптический центр тонкой линзы, не преломляется

Это единственное общее свойство собирающих и рассеивающих линз. В остальном ход лучей в них оказывается различным, и дальше нам придётся рассматривать собирающую и рассеивающую линзу по отдельности.

Ход лучей в собирающей линзе.

Как мы помним, собирающая линза называется так потому, что световой пучок, параллельный главной оптической оси, после прохождения линзы собирается в её главном фокусе (рис. 7 ).

Рис. 7. Параллельный пучок собирается в главном фокусе

Пользуясь обратимостью световых лучей, приходим к следующему выводу: если в главном фокусе собирающей линзы находится точечный источник света, то на выходе из линзы получится световой пучок, параллельный главной оптической оси (рис. 8 ).

Рис. 8. Преломление пучка, идущего из главного фокуса

Рис. 9. Параллельный пучок собирается в побочном фокусе

1. Луч, идущий через оптический центр линзы, не преломляется.
2. Луч, идущий параллельно главной оптической оси линзы, после преломления пойдёт через главный фокус (рис. 10 ).

Рис. 10. К правилу 2

3. Если луч падает на линзу наклонно, то для построения его дальнейшего хода мы проводим побочную оптическую ось, параллельную этому лучу, и находим соответствующий побочный фокус. Вот через этот побочный фокус и пойдёт преломлённый луч (рис. 11 ).

Рис. 11. К правилу 3

В частности, если падающий луч проходит через фокус линзы, то после преломления он пойдёт параллельно главной оптической оси.

Ход лучей в рассеивающей линзе.

Переходим к рассеивающей линзе. Она преобразует пучок света, параллельный главной оптической оси, в расходящийся пучок, как бы выходящий из главного фокуса (рис. 12 )

Рис. 12. Рассеяние параллельного пучка

Наблюдая этот расходящийся пучок, мы увидим светящуюся точку, расположенную в фокусе позади линзы.

Рис. 13. Рассеяние наклонного параллельного пучка

Этот расходящийся пучок создаст у нас иллюзию светящейся точки, расположенной в побочном фокусе за линзой.

1. Луч, идущий через оптический центр линзы, не преломляется.
2. Луч, идущий параллельно главной оптической оси линзы, после преломления начнёт удаляться от главной оптической оси; при этом продолжение преломлённого луча пройдёт через главный фокус (рис. 14 ).

Рис. 14. К правилу 2

3. Если луч падает на линзу наклонно, то мы проводим побочную оптическую ось, параллельную этому лучу, и находим соответствующий побочный фокус. Преломлённый луч пойдёт так, словно он исходит из этого побочного фокуса (рис. 15 ).

Рис. 15. К правилу 3

Источник