Šošovka (optika)

Šošovka je homogénne izotropné prostredie, ohraničené dvoma guľovými plochami alebo guľovou plochou a rovinou. Je to predmet z priehľadného materiálu slúžiaci v optike alebo v iných prípadoch na ovplyvnenie šírenia svetla v širšom zmysle, t. j. viditeľného svetla, infračerveného a ultrafialového žiarenia. 

Šošovky sú najčastejšie sklenené, ale na ich výrobu sa bežne používajú aj plasty. Materiál šošovky je charakterizovaný indexom lomu, ktorý je vždy väčší ako jedna, a indexom absorpcie, ktorý je pre vlnové dĺžky v rozsahu použiteľnosti šošovky blízky nule. Najjednoduchší opis šírenia lúčov šošovkou poskytuje geometrická optika. 
Ak je hrúbka šošovky vzhľadom na polomery jej guľových plôch zanedbateľná (d<<r), potom hovoríme, že šošovka je tenká.

Historický vývoj 

Najstaršia zmienka o šošovke pochádza zo starovekého Grécka. V divadelnej hre Oblaky (424 pr.n.l.) od Aristofanesa, bolo spomenuté zapaľovacie sklíčko (spojná šošovka, ktorá zbieha slnečné lúče do jedného bodu, a tým vytvára oheň). Spisy Plíniusa Staršieho tiež poukazujú na to, že zapaľovacie sklíčka boli známe už v Starovekom Ríme a spomína, možno po prvýkrát použitie korekčných šošoviek: hovoril o tom, že Nero pozeral zápasy gladiátorov cez smaragd (podľa všetkého v tvare rozptylky, na korekciu krátkozrakosti, referencie sú v tomto smere neurčité). Obaja Plínius Starší aj Seneca popisujú efekt zväčšovania sklenenej gule naplnenej vodou. Arabský matematik Ibn Sahl používal to, čo je dnes známe ako Snellov zákon, na výpočet tvaru šošoviek, a Ibn al-Haitham (965 - 1038) napísal prvú hlavnú rozpravu, ktorá opisuje ako šošovka v ľudskom oku transformuje obraz na sietnicu oka. Najstarší artefakt šošovky sa datuje na 640 rokov pr.n.l.; šošovka z kremeňa bola nájdená pri vykopávkach v Ninive (staroveká Asýria).

Základné vlastnosti

Snellov zákon lomu 

Pomer sínusov uhla dopadu a lomu sa rovná prevrátenému pomeru absolútnych indexov lomov obidvoch prostredí:

kde
 α – je uhol dopadu
 β – je uhol lomu
 v1 – je rýchlosť vlnenia v 1. prostredí
 v2 – je rýchlosť vlnenia v 2. prostredí
 n1 – je index lomu v 1. prostredí
 n2 – je index lomu v 2. prostredí

Lúč dopadajúci na ľubovoľné miesto povrchu šošovky sa vo vnútri šošovky láme podľa Snellovho zákona a podľa rovnakého zákona sa láme na protiľahlom povrchu. Okrem toho sa malá časť svetla odráža späť. V niektorých prípadoch (napríklad v objektívoch fotografických prístrojov), ak je potrebné výrazne zmenšiť tieto straty spôsobené odrazom, tak sa povrch šošoviek pokrýva jednou alebo viacerými vrstvami priehľadných dielektrických látok (antireflexné pokrytie). Tým sa dosiahne toho, že na jednej vlnovej dĺžke alebo v určitom rozsahu vlnových dĺžok svetlo prechádza šošovkou prakticky bez strát.

Znamienková konvencia 
 spojky majú kladnú ohniskovú vzdialenosť, rozptylky zápornú
 hodnota "u" - predmetovej vzdialenosti je:
 kladná (u>0) pred šošovkou
 záporná (u<0) za šošovkou
 hodnota "v" - obrazovej vzdialenosti je:
 kladná (v>0) za šošovkou → obraz je skutočný
 záporná (v<0) pred šošovkou → obraz je neskutočný

Zobrazovacia rovnica 

 Pre priečne zväčšenie šošovky (Z) podľa podobnosti trojuholníkov na obr. platí:

 Porovnaním niektorých dvoch vzťahov z priečneho zväčšenia dostaneme zobrazovaciu rovnicu šošovky:

 Z čoho ľahko odvodíme ohniskovú vzdialenosť (f):

 Prevrátená hodnota ohniskovej vzdialenosti je optická mohutnosť (φ):

kde
 Z – je priečne zväčšenie šošovky
 A – je výška predmetu v (m)
 A, – je výška obrazu v (m)
 u – je vzdialenosť predmetu od stredu šošovky v (m)
 v – je vzdialenosť obrazu od stredu šošovky v (m)
 f – je ohnisková vzdialenosť šošovky v (m)
 φ – je optická mohutnosť v (m-1)
 v očnej optike sa používa jednotka optickej mohutnosti dioptria D 
 pre spojky φ>0 (kladná)
 pre rozptylky φ<0 (záporná)

Druhy šošoviek 

Šošovky sú väčšinou guľové, čiže aspoň jeden ich povrch je tvorený časťou guľovej plochy. V zvláštnych prípadoch sa používajú šošovky iných tvarov, pozri nižšie.

Základné delenie šošoviek vychádza z toho, ako pôsobia na prejdený rovnobežný (kolimovaný) optický zväzok. Spojné šošovky alebo spojky menia zväzok na zbiehavý, takže lúče sa za nimi pretínajú v bode označovanom ako ohnisko. Vzniká tak skutočný obraz predmetu pred šošovkou. Rozptylné šošovky alebo rozptylky naopak zväzok menia na rozbiehavý, ktorý zdanlivo vychádza z ohniska pred šošovkou – vytvárajú zdanlivý obraz.

Spojky (spojné šošovky, konvexné šošovky) 
- sú vždy uprostred silnejšie než na okrajoch a majú vždy jeden vypuklý povrch.
 dvojvypuklé – druhý povrch je tiež vypuklý
 ploskovypuklé – druhý povrch je rovinný
 dutovypuklé – druhý povrch je dutý

Rozptylky (rozptylné šošovky, konkávne šošovky) 
- sú naopak uprostred tenšie než na okrajoch a majú jeden povrch dutý.
 dvojduté – druhý povrch je tiež dutý
 ploskoduté – druhý povrch je rovinný
 vypukloduté – druhý povrch je vypuklý

Šošovky iných tvarov 
Existujú tiež šošovky, ktoré majú iný tvar povrchu ako guľový výsek:
 valcová alebo cylindrická šošovka - aspoň jeden jej povrch je tvorený časťou valca; taká šošovka ovplyvňuje chod lúčov len v rovine kolmej na os tohto valca, kým v rovine určenej smerom lúča a osou valca nie je zbiehavosť ovplyvnená. Používa sa napríklad ku korekcii niektorých chýb zraku.
 multifokálna šošovka - má v rôznych miestach rôznu ohniskovú vzdialenosť, používa sa pre multifokálne okuliare.
 Fresnelova šošovka - je to plochá šošovka vzniknutá rastrovaním obvyklej guľovej alebo valcovej šošovky
 asférická šošovka - je rotačne symetrická, ale má iný než guľový tvar. Špeciálne navrhnuté tvary takýchto šošoviek umožnili napríklad konštrukciu nových druhov fotografických objektívov a astronomických prístrojov. Používa sa pri kontaktných šošovkách, je vhodná aj na korekciu niektorých foriem astigmatizmu.
 toroidná šošovka - v dvoch navzájom kolmých rovinách má iné zakrivenie, takže v každej z nich ovplyvňuje zbiehavosť lúčov inak. Možno ju použiť na korekciu astigmatizmu.

Smer lúčov po prechode šošovkou

Chyby šošoviek 

Je známe, že žiadna šošovka sa nespráva ideálne -pri zobrazovaní predmetov vznikajú rôzne chyby a deformácie. K hlavným patria:

Farebná chyba alebo chromatická aberácia 

 Chromatická aberácia alebo chromatická chyba je farebná chyba šošovky, aj zložitejšej optickej sústavy šošoviek (napríklad objektívu), spôsobená závislosťou ohniskovej vzdialenosti šošoviek na vlnovej dĺžke svetla. Fyzikálnou podstatou tohto javu je závislosť indexu lomu všetkých priehľadných látok na vlnovú dĺžku. Šošovky potom lámu svetlo každej farby inak (dlhovlnné žiarenie (červené) - najmenej, krátkovlnné (fialové) - najviac), čo sa na snímke prejaví ako farebné lemovanie ostrých prechodov medzi svetlom a tieňom.

Sférická alebo guľová chyba 

Sférickú aberáciu (sférickú, guľovú alebo otvorovú chybu) spôsobuje guľový tvar šošoviek tým, že lúče prechádzajúce okrajom šošovky sa viac lámu ako lúče blízko optickej osi. Rozdiel medzi vzdialenosťami ich ohnísk je sférická pozdĺžna aberácia. Táto optická chyba zapríčiňuje neostrosť obrazov, pretože pri dopade rovnobežného zväzku svetelných lúčov na šošovku, pretínajú okrajové lúče zväzku (po lome šošovkou) optickú os v inom bode ako lúče v blízkosti osi. 

Pri spojke (šošovke s kladnou optickou mohutnosťou) je sférická aberácia záporná. Pri rozptylke (šošovke so zápornou optickou mohutnosťou) sa okrajové lúče lámu menej ako paraxiálne, ohnisko okrajových lúčov je ďalej ako paraxiálnych a sférická aberácia je kladná. Preto možno opravovať túto optickú chybu kombináciou spojných a rozptylných šošoviek s pozdĺžnou sférickou aberáciou rôznych znamienok. 

Pri dvojitom objektíve sa dá súčasne znížiť sférická i chromatická aberácia.

Skreslenie 

Skreslenie (distorzia) je spôsobené tým, že priečne zväčšenie nie je po celom poli obrazu rovnaké, a tak sa porušuje geometrická podobnosť medzi predmetom a jeho obrazom. Neskresľuje sa zobrazenie jednotlivých bodov, ale ich konfigurácia. Ak je zobrazovaným predmetom sieťka so štvorcovými okienkami ležiaca kolmo na optickú os, zobrazí sa ako sieťka tvorená sústavou kriviek: pri zväčšovaní s rastúcou vzdialenosťou od optickej osi ako sieťka tvorená konvexnými krivkami a pri poklese zväčšenia ako sieťka s konkávnymi krivkami. Ak ide o prístroje určené na bežné vizuálne pozorovanie, skreslenie veľmi neprekáža, ale ak je obraz potrebný na presné vymeriavanie, musí sa skreslenie opraviť vhodnou kombináciou šošoviek. S rastúcim počtom šošoviek vzrastajú i svetelné straty odrazom a absorpciou. Preto sa často dáva prednosť zrkadlovým ďalekohľadom.

Koma 

Ďalej od optickej osi sa vyskytujú aj iné geometrické optické chyby. Pri kome sa svietiaci bod mimo optickej osi objektívu zobrazí v tvare kométy s jasným jadrom, z ktorého vychádza široký chvost. Vzniká tým, že zväzok lúčov po lome nemá osovú symetriu, lúče prechádzajúce rôznymi časťami objektívu sa stretávajú v rozličných vzdialenostiach od hlavného ohniska. Koma vzrastá úmerne so vzdialenosťou od optickej osi a môže dosiahnuť veľkú hodnotu. Veľmi znižuje rozlišovaciu schopnosť ďalekohľadu a ostrosť zobrazenia na okrajoch poľa. Možno ju odstrániť vhodnou kombináciou viacerých šošoviek (aplanát) a jej kvadratická závislosť od svetelnosti ju umožňuje ľahšie odstrániť pri málo svetelných optických sústavách.

Astigmatická chyba 

Astigmatizmus je závažná optická chyba pri veľkých vzdialenostiach od optickej osi aj pri málo svetelných sústavách, pretože je priamo úmerná svetelnosti a druhej mocnine odklonu od optickej osi. Astigmatizmus majú aj úzke zväzky lúčov, ak sú mimoosové. Astigmatické zväzky sa pretínajú v dvoch fokálach (nevytvárajú nikde bodové ohnisko) navzájom kolmých - meridiálny a sagitálny rez. Vzdialenosť medzi fokálami sa nazýva astigmatický rozdiel. Pri astigmatizme má obraz bodového zdroja tvar krátkej čiary (na fokálach) alebo neostrého krúžka (medzi fokálami). Astigmatizmus dobre vidieť pri zobrazení predmetu v tvare sústredných kružníc preťatých niekoľkými priemermi, ležiacich v rovine kolmej na optickú os a so stredmi na optickej osi. Pri umiestení premietacieho tienidla v rovine ohnísk meridiálnych rezov sa kružnice zobrazia ostro, ale obrazy polomerov sú neostré, a to tým viac, čím sú od optickej osi ďalej. Ak je tienidlo v rovine sagitálnych rezov, obrazy polomerov sú ostré, ale kružnice neostré. Astigmatizmus sústavy možno opraviť vhodným výberom polomerov krivosti lámavých plôch a ich optických mohutností. Sústava s opraveným astigmatizmom je anastigmat.Astigmatizmus a koma sa vyskytujú aj pri parabolických zrkadlách.

Využitie šošoviek 

 Okuliare pre korekciu zraku a lupy predstavujú jedno z najstarších využití šošovky

 Prvým fotografickým prístrojom stačila jediná šošovka na vytvorenie obrazu na fotografickom papieri; dnes majú v objektívoch väčšinou niekoľko šošoviek za sebou
 Ďalekohľady a menšie astronomické prístroje
 Optické mikroskopy
 Rozličné optické a meracie prístroje (teodolit, heliograf a ďalšie)
 Mechaniky na čítanie kompaktných diskov, DVD a diskov Blu-ray (používajú plastové šošovky)
 Lasery

Pozri aj 
 gravitačná šošovka
 magnetická šošovka
 Barlowova šošovka
 Predsádková šošovka
 Bikonkávna šošovka
 Bikonvexná šošovka
 Kontaktná šošovka

 
Optika