Soczewka

Soczewka – urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny). Soczewka jest ograniczona dwiema powierzchniami. Przynajmniej jedna z nich jest zakrzywiona, to znaczy jest wycinkiem sfery, powierzchni walcowej lub powstałej w wyniku obrotu krzywej stożkowej (paraboli, hiperboli lub elipsy).

Typy soczewek 
Najczęściej spotykany typ soczewki to soczewka sferyczna, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych i tak dalej.

Stosuje się również (na przykład jako lupy w termometrach oraz do czytania, szkła korygujące wady wzroku) soczewki będące wycinkiem walca, nazywane soczewkami cylindrycznymi.

Szczególnym rodzajem soczewki jest soczewka Fresnela.

Soczewki sferyczne

Ognisko i ogniskowa 

Podstawową funkcją soczewek jest symetryczne względem osi skupianie lub rozpraszanie światła. Stąd każda soczewka posiada oś optyczną i punkt, w którym skupia się wiązka równoległa do osi optycznej, zwany ogniskiem soczewki. Odległość ogniska od środka optycznego soczewki nazywa się jej ogniskową. Ogniskowa f zależy od promieni krzywizny obu powierzchni roboczych  i  oraz współczynników załamania: materiału, z którego zrobiona jest soczewka  i otoczenia  (dla powietrza  i wzór upraszcza się).

Dla nieskończenie cienkiej soczewki (to znaczy soczewki o pomijalnej grubości) wzór (zwany wzorem soczewkowym, lub wzorem szlifierzy soczewek) przyjmuje postać
 

Wzór stosuje się zarówno do wklęsłych, jak i wypukłych soczewek. Przyjęto w nim następującą konwencję: dla powierzchni wypukłej promień krzywizny jest dodatni, a dla wklęsłej ujemny. Jeżeli któraś z powierzchni jest płaska, to jej promień krzywizny jest nieskończony, a jego odwrotność wynosi zero. Czasem używa się też innych konwencji i wtedy powyższy wzór ma nieco inną postać.

Rozważmy dwa proste przykłady: po pierwsze, soczewkę wypukło-wypukłą o takich samych promieniach krzywizny  Zgodnie z konwencją w powyższym wzorze wstawiamy  i przyjmując  otrzymujemy
 

Dla większości materiałów  więc taka soczewka będzie miała dodatnią ogniskową i będzie soczewką skupiającą. Im większy współczynnik załamania i mniejszy promień krzywizny, tym krótsza będzie ogniskowa soczewki. Analogicznie, soczewka wklęsło-wklęsła będzie soczewką rozpraszającą.

Odwrotność ogniskowej nazywa się zdolnością zbierającą soczewki i jest mierzona w dioptriach.

Obraz

Powiększenie 
Obraz wytworzony przez soczewkę jest zwykle innej wielkości niż przedmiot. Powiększenie to zależy od odległości przedmiotu od soczewki  oraz od jej ogniskowej  Dla cienkiej soczewki zależność tę opisuje wzór
 

gdzie  jest odległością obrazu od soczewki, a  powiększeniem.  odpowiada obrazowi powiększonemu, a  pomniejszonemu. Ujemna wartość  oznacza, że obraz jest odwrócony.

Zastosowanie 
Soczewki są stosowane w wielu przyrządach optycznych do tworzenia obrazu lub kształtowania wiązki światła:
 mikroskopach
 lunetach
 lornetkach
 lupach
 okularach leczniczych
 soczewkach kontaktowych
 spektrofotometrach
 aparatach fotograficznych
 kamerach filmowych
 druku soczewkowym
 świetlnych semaforach kolejowych

Wady soczewek 

Idealna soczewka skupia równoległą wiązkę światła w jednym punkcie i wytwarza ostry obraz przedmiotu, różniący się od niego jedynie powiększeniem. Rzeczywiste soczewki charakteryzują się aberracjami, przez co wytworzony przez nie obraz jest zniekształcony. Wady te wynikają zarówno z niedokładności wykonania, jak i z fizycznych właściwości soczewek, przede wszystkim ich grubości (szczególnie różnic grubości pomiędzy środkiem a brzegami soczewki) oraz zależności współczynnika załamania materiału, z którego są wykonane, od długości fali. Ten drugi rodzaj aberracji usuwa się, zastępując pojedynczą soczewkę układem soczewek.

 aberracja – usuwa obiektyw anastygmat
 aberracja chromatyczna – usuwa układ soczewek achromat, apochromat
 aberracja sferyczna – usuwa soczewka asferyczna
 koma – usuwa układ soczewek peryskop
 astygmatyzm – usuwa układ soczewek anastygmat
 dystorsja – usuwa układ soczewek peryskop
Inne układy soczewek likwidujące aberrację: aplanat.

Wad grubych soczewek w znacznym stopniu pozbawiona jest soczewka Fresnela.

Zobacz też 

 obiektyw
 równanie soczewki
 Polskie Zakłady Optyczne
 Soczewka kontaktowa

Przypisy 

Sprzęt fotograficzny
Urządzenia optyczne