Les lentilles sont des objets transparents qui peuvent réfracter la lumière du soleil. Ils sont principalement fabriqués à partir de verre. Les mots « réfracter la lumière » font référence à la capacité de changer la direction de propagation des rayons lumineux incidents. Considérons comment les images sont construites dans une lentille mince.
Contexte historique
Les premières lentilles connues des anciens Grecs et Romains étaient des récipients sphériques en verre remplis d'eau. Ces prototypes de verres optiques modernes servaient à allumer des feux.
Ce n'est qu'à la fin du XIIIe siècle que la première lentille en verre a été fabriquée en Europe. Depuis lors, le processus de leur fabrication n'a pas beaucoup changé. La seule innovation fut l'utilisation du goudron par Isaac Newton au 17ème siècle pour polir les surfaces des objets optiques.
Collecter et diffuser des verres optiques
Pour faciliter la compréhension de la construction des images dans une lentille mince, considérezla question est, quels sont les verres optiques. En général, il n'existe que deux types de lentilles, qui diffèrent par leur forme et leur capacité à réfracter le flux lumineux. On distingue les types suivants:
- Lentilles convergentes. Ce type a une épaisseur de sa partie centrale supérieure à l'épaisseur des bords. L'image résultante dans une lentille convergente est formée de l'autre côté de la lumière qui tombe dessus. Ce type a la capacité de collecter la lumière en un seul point (mise au point positive).
- Lentilles divergentes. Leur partie centrale est plus fine que les bords. En raison de leur forme, ces verres optiques diffusent la lumière incidente sur eux, ce qui conduit à la formation d'une image du même côté de la lentille que les rayons d'un objet tombent dessus. L'image générée est beaucoup plus petite que l'élément réel. Si les rayons diffusés par ce verre optique se prolongent de manière à déterminer leur origine, alors il semblera qu'ils émergent d'un point en avant de lui. Ce point est appelé le foyer, qui est négatif ou imaginaire pour une lentille divergente.
Différentes formes de verres optiques
Les deux types de lentilles existants peuvent être fabriqués de plusieurs façons. On distingue les 6 formes suivantes:
- Biconvexe.
- Plano-convexe.
- Avec un ménisque convexe (concave-convexe).
- Biconcave.
- Plano-concave.
- Avec un ménisque concave (convexe-concave).
Éléments en verre convexe
Pour comprendre la physique de l'objectif et l'intégrerlentilles d'imagerie minces, il est nécessaire de connaître les éléments de base de cet objet optique. Listons-les:
- Le centre optique (O) est le point par lequel la lumière passe sans être réfractée.
- L'axe principal est une ligne droite qui passe par le point du centre optique et le foyer principal.
- Le foyer principal ou foyer principal (F) est le point par lequel passent les rayons lumineux ou leurs prolongements s'ils tombent sur le verre optique parallèlement à son axe principal.
- Axe auxiliaire - toute ligne droite passant par le centre optique.
- Les rayons de courbure sont les deux rayons, R1 et R2, des sphères qui forment la lentille.
- Centres de courbure - deux centres de sphères, C1 et C2, qui forment les surfaces du verre optique.
- Longueur focale (f) - la distance entre le point focal et le centre optique. Il existe une autre définition de la valeur (f): c'est la distance du centre de la lentille optique à l'image, ce qui donne un objet situé à l'infini.
Propriétés optiques
Qu'il s'agisse d'un simple verre convexe ou de systèmes optiques complexes, qui sont un ensemble de lentilles individuelles, leurs propriétés optiques dépendent de deux paramètres: la distance focale et le rapport entre la distance focale et le diamètre de la lentille.
La distance focale est mesurée de deux manières:
- En unités de distance normale, telles que 10 cm, 1 m, etc.
- En dioptries, il s'agit d'une valeur inversement proportionnelle à la distance focale, mesurée en mètres.
Par exemple, un verre optique d'une puissance de 1 dioptrie a une distance focale de 1 m, tandis qu'un objectif d'une puissance de 2 dioptries a une distance focale de seulement 0,5 m.
Le diamètre d'une lentille et sa relation avec la distance focale déterminent la capacité du verre optique à collecter la lumière ou son rendement lumineux.
Propriétés des rayons traversant la lentille
Dans les écoles de 8e année, la construction d'images dans des lentilles minces est l'un des sujets importants en physique. Pour apprendre à construire ces images, il faut connaître non seulement les concepts et éléments de base, mais aussi les propriétés de certains rayons traversant un objet optiquement actif:
- Tout rayon passant parallèlement à l'axe principal est réfracté de telle sorte qu'il passe par le foyer (dans le cas d'une lentille convergente), ou que sa continuation imaginaire passe par le foyer (dans le cas d'une lentille divergent).
- Le faisceau qui traverse le foyer est réfracté de sorte qu'il continue son mouvement parallèlement à l'axe principal. A noter que dans le cas d'une lentille divergente, cette règle est valable si la suite du faisceau incident sur celle-ci passe par le foyer situé de l'autre côté de l'objet optique.
- Tout rayon de lumière qui traverse le centre de la lentille ne subit aucune réfraction et ne change pas de direction.
Caractéristiques de la construction d'images dans des lentilles minces
Bien que la collecte et la diffusion optiqueles verres ont des propriétés similaires, la construction des images dans chacun d'eux a ses propres caractéristiques.
Lors de la construction d'images, la formule de la lentille mince est:
1/f=1/do+1/di, où do et di est la distance du centre optique à l'objet et à son image.
Notez que la distance focale (f) est positive pour les lentilles convergentes et négative pour les divergentes.
L'application des propriétés ci-dessus des rayons traversant un verre optique collecteur conduit aux résultats suivants:
- Si l'objet est situé à une distance de plus de 2f, alors une image réelle est obtenue, qui a une taille plus petite que l'objet. Nous le voyons à l'envers.
- Un objet placé à une distance de 2f de l'objectif donne une image réelle inversée de la même taille que l'objet lui-même.
- Si l'objet est à une distance supérieure à f, mais inférieure à 2f, alors une image réelle inversée et agrandie de celui-ci est obtenue.
- Si l'objet est au point focal, alors les rayons traversant le verre optique deviennent parallèles, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'image.
- Si un objet est plus proche qu'une distance focale, alors son image se révélera imaginaire, directe et plus grande que l'objet lui-même.
Comme les propriétés des rayons traversant une lentille convergente et divergente sont similaires, la construction des images données par une lentille mince de ce type s'effectue selon des règles similaires.
Dessinsimagerie pour diverses occasions
Sur les dessins, une lentille convergente est indiquée par une ligne aux extrémités de laquelle se trouvent des flèches pointant vers l'extérieur, et une lentille divergente est indiquée par une ligne avec des flèches aux extrémités dirigées vers l'intérieur, c'est-à-dire, l'un contre l'autre.
Différentes variantes des dessins pour la construction d'images dans des lentilles minces, qui ont été discutées dans le paragraphe précédent, sont présentées dans la figure ci-dessous.
Comme on peut le voir sur la figure, toutes les images (pour tout type de verre optique et l'emplacement de l'objet par rapport à elles) sont construites sur deux faisceaux. L'un est dirigé parallèlement à l'axe principal et l'autre passe par le centre optique. L'utilisation de ces faisceaux est commode car leur comportement après passage dans la lentille est connu. Notez également que le bord inférieur de l'objet (flèche rouge dans ce cas) est situé sur l'axe optique principal, il suffit donc de construire uniquement l'image du point supérieur de l'objet. Si l'objet (flèche rouge) est situé arbitrairement par rapport au verre optique, il est alors nécessaire de construire une image de ses parties supérieure et inférieure indépendamment.
Deux faisceaux suffisent pour construire n'importe quelle image. S'il y a une incertitude sur le résultat, il peut être vérifié à l'aide du troisième rayon. Il doit être dirigé à travers le foyer (devant la lentille convergente et derrière la lentille divergente), puis après avoir traversé le verre optique et la réfraction à l'intérieur, le faisceau sera parallèle à l'axe optique principal. Si le problème de la construction d'une image dans une lentille mince est résoluà droite, il passera par le point d'intersection des deux poutres principales.
Le processus de fabrication d'objets optiques
La plupart des lentilles sont fabriquées à partir de types de verre spéciaux appelés lentilles optiques. Il n'y a pas de contraintes internes, de bulles d'air et d'autres imperfections dans un tel verre.
Le processus de fabrication des lentilles se déroule en plusieurs étapes. Tout d'abord, un objet concave ou convexe de la forme souhaitée est découpé dans un bloc de verre optique à l'aide d'outils métalliques appropriés. Il est ensuite poli à l'aide de goudron. Au stade final, le verre optique est redimensionné à l'aide d'outils abrasifs afin que le centre de gravité coïncide exactement avec le centre optique.
En raison du développement des technologies d'obtention et de transformation de divers types de plastique, les lentilles sont de plus en plus fabriquées à partir de plastiques transparents, moins chers, plus légers et moins fragiles que leurs homologues en verre.
Domaines d'application
Les lunettes optiques sont utilisées pour résoudre divers problèmes de vision. Pour cela, des lentilles de contact en plastique et en verre (avec des lunettes) sont utilisées.
De plus, les verres optiques sont utilisés dans les appareils photographiques, les microscopes, les télescopes et d'autres instruments optiques. Ils utilisent tout un système de lentilles. Par exemple, dans le cas du microscope le plus simple, composé de deux verres optiques, le premier forme une image réelle de l'objet, etla seconde sert à agrandir son image. Par conséquent, le deuxième verre est situé à une distance appropriée du premier, selon les règles de construction d'images dans une lentille mince.
