Lentilă (optică)

În optică, lentila este o piesă realizată dintr-un material transparent (sticlă, material plastic etc.), cu două suprafețe opuse, în general curbe, folosită singură sau împreună cu alte piese similare pentru a concentra sau propaga/răspândi lumina și a forma imagini ale obiectelor. Lentilele se bazează pe fenomenul de refracție a luminii, adică schimbarea direcției de propagare a acesteia la trecerea dintr-un mediu transparent în altul.
În limba română cuvântul lentilă provine din cuvântul francez lentille, care însemna inițial „linte”, o plantă ale cărei semințe comestibile au o formă biconvexă, iar apoi a fost folosit și pentru a desemna piesa optică având aproximativ aceeași formă. Cuvântul francez provine la rândul lui din latinescul lenticula, care este forma diminutivă a lui lens (genitiv lentis) cu același sens „linte”.
Lentilele, într-o formă sau alta, sunt produse și folosite de om de câteva mii de ani, dar prima mențiune se găsește în Grecia antică, în comedia Nephelai (Norii) a poetului Aristofan, care vorbește despre o lentilă convergentă folosită pentru a da foc unui obiect concentrând razele soarelui cu ajutorul acesteia. Pliniu cel Bătrân (23-79) scrie că împăratul roman Nero folosea o bucată de smarald cu suprafețele concave pentru a urmări luptele de gladiatori, probabil pentru că suferea de miopie. Matematicianul persan Alhazen (965-1038) a scris primul tratat semnificativ de optică, în care discută despre rolul cristalinului ochiului în formarea imaginilor pe retină. Lentilele au început să se răspândească abia după inventarea ochelarilor, probabil în Italia, la sfârșitul secolului al XIII-lea.
Lentilele se pot clasifica după modul în care acționează asupra razelor de lumină în:
După forma lor, lentilele sunt:
Ca regulă generală, lentilele convexe sunt mai groase la mijloc și mai subțiri pe margine, iar cele concave mai subțiri la mijloc și mai groase pe margine. Dacă lentila se pune într-un mediu transparent cu indicele de refracție mai mare decât materialul lentilei, efectul este cel opus, iar lentila devine divergentă.
Cele mai multe lentile au suprafețele sferice pentru că această formă se realizează cel mai ușor, dar pentru anumite aplicații sunt necesare suprafețe asferice, de exemplu în formă de hiperboloid, elipsoid sau cilindru.
Pentru obținerea unor imagini de bună calitate adesea lentilele se folosesc în combinații atent calculate, numite lentile compuse. Acestea se folosesc la obiectivele aparatelor fotografice și la alte instrumente optice ca microscopul, telescopul, luneta, teodolitul etc.
O lentilă simplă se compune dintr-un material transparent mărginit de două suprafețe șlefuite, în general sferice. Forma lentilei și caracteristicile materialului determină proprietățile optice ale acesteia:
Un punct luminos emite lumină în toate direcțiile pe suprafața transparentă a mediului compact. Pentru a obține grafic imaginea acestui punct, este suficient să fie reprezentate două din următoarele raze:
În cazul unei lentile convergente, imaginea poate fi:
În cazul unei lentile divergente, imaginea finală este întotdeauna virtuală.
Se notează:
Luându-se centrul optic al lentilei ca punct de referință, se face următoarea convenție de semn:
Există relațiile:
Convergența lentilei, notată C {\displaystyle C} , reprezintă inversul abscisei f = x F {\displaystyle f=x_{F}} a focarului principal imagine F 2 {\displaystyle F_{2}} al lentilei considerate:
În formulă, se înlocuiește numeric f cu valori pozitive la lentilele convergente și cu valori negative la lentilele divergente.
Convergența lentilei compuse este suma convergențelor lentilelor componente:
Unitatea de măsură a convergenței este dioptria care corespunde distanței focale de un metru:
Forma sferică a lentilelor, deși simplu de realizat practic, nu este forma ideală care să asigure refracția precisă a luminii. În special razele de lumină care intră în lentilă la marginea acesteia suferă o refracție mai mare decât este nevoie, ceea ce duce la o focalizare defectuoasă și la formarea unor imagini cu atât mai neclare cu cât lentila are un diametru mai mare. Pentru corectarea aberației sferice se folosesc diafragme care limitează diametrul fasciculului de lumină (dar care reduc și intensitatea acesteia) ori se folosesc lentile asferice sau lentile compuse, calculate în așa fel încât aberația sferică să fie minimă.
Această aberație apare când fasciculul de lumină este înclinat față de axa optică. În loc ca imaginea unui punct luminos să fie tot un punct, lumina capătă forma unei comete. Efectul este cu atât mai puternic cu cât unghiul cu axa optică este mai mare.
Materialul transparent al lentilei (sticlă, materiale plastice, lichide etc.) nu refractă lumina de toate culorile în aceeași măsură. Fenomenul se numește dispersie și înseamnă dependența indicelui de refracție de lungimea de undă. El se manifestă în cazul lentilelor prin formarea de imagini la distanțe diferite și de mărimi diferite în funcție de culoare. Imaginile obținute cu o astfel de lentilă vor prezenta irizări colorate ale părților din imagine care ar trebui să prezinte o trecere bruscă de la o zonă luminoasă la una întunecată.
Adesea, un obiect cu muchii drepte dă prin lentilă o imagine în care aceste muchii sînt curbate, fie toate spre axa optică, fie toate spre marginea cadrului. Acest fenomen se datorează faptului că relația dintre unghiul de intrare în lentilă (unghiul dintre axa optică și raza venită de la un punct) și unghiul de ieșire (dintre axa optică și imaginea punctului respectiv) nu este liniară. În funcție de sensul abaterii de la liniaritate, imaginea unui dreptunghi va căpăta o formă fie de „butoiaș”, fie de „perniță”.
Imaginea unui obiect plan așezat perpendicular pe axa optică este în mod ideal tot plană. În realitate, lentilele simple dau o imagine curbată, astfel încât surprinderea acestei imagini pe un sensor plan – film fotografic, (peliculă cinematografică, sensor CCD etc.) – suferă de o neclaritate din ce în ce mai pronunțată spre marginea cadrului.
În mod ideal imaginea unui punct luminos trebuie să fie tot un punct. În practică, lentilele reale (inclusiv lentila ochiului, cristalinul) nu au o formă perfectă, și deci imaginea unui punct este o pată luminoasă cu atît mai mare cu cât efectul e mai puternic. Astigmatismul ochiului se poate corecta folosind lentile cilindrice.