Una lente ottica è un componente costituito da un materiale generalmente isotropo e trasparente alla luce nell'intervallo spettrale di interesse. Molto spesso è un tipo di vetro ottico , o vetri più convenzionali, plastica, materiali organici o persino metalloidi come il germanio . Le lenti hanno lo scopo di far convergere o divergere la luce .
Il loro utilizzo implica che il loro indice di rifrazione sia diverso da quello dell'ambiente in cui sono immersi ( aria , olio , acqua, ecc.). Le lenti il più delle volte hanno un asse di simmetria confuso con l' asse ottico ma tecniche recenti e le esigenze dell'industria e della ricerca fanno sì che una parte significativa delle lenti non abbia un asse di simmetria.
Esistono anche lenti che agiscono su altri tipi di radiazioni elettromagnetiche , tramite un campo elettrico e / o magnetico .
E ' Ninive , l'antica capitale del impero assiro , al XIX ° secolo , Sir Austen Henry Layard ha scoperto le prime lenti lenticolari in strati risalenti a 4000 anni prima di Cristo. Non si sa per cosa siano stati usati esattamente, ma questa scoperta solleva molte domande perché questa città è stata per molto tempo il grande centro commerciale e culturale del Medio Oriente e perché la divulgazione delle conoscenze acquisite è una pratica rara nell'antichità .
Le prime menzioni inequivocabili dell'uso di una lente provengono dall'antica Grecia . Aristofane evoca in particolare nella sua commedia Le nuvole , scritta nel 423 a.C. DC , un " vetro di fuoco " (una lente convessa usata per produrre fuoco focalizzando la radiazione solare ). Anche gli scritti di Plinio il Vecchio ( 23 - 79 ) mostrano che un tale dispositivo era conosciuto nell'Impero Romano . Menzionano quello che può essere interpretato come il primo uso di una lente per correggere la vista descrivendo l'uso da parte di Nerone di uno smeraldo a forma convessa negli spettacoli gladiatori (presumibilmente per correggere un difetto della vista). Seneca ( 3 aC - 65 ) descrive l'effetto di ingrandimento di un globo di vetro riempito d' acqua .
L' Arab matematico Alhazen ( 965 - 1038 ), scrisse il primo trattato di ottica che descrive come la lente forma un'immagine sulla retina .
Le lenti, tuttavia, non furono utilizzate dal grande pubblico fino alla generalizzazione degli occhiali da vista , probabilmente inventata in Italia negli anni ottanta del XIX secolo .
Quando l'onda luminosa incontra una diottra (superficie che separa due mezzi omogenei con indici diversi), la luce viene rifratta seguendo le leggi di Snell-Descartes . Una lente è l'associazione di due diottrie e quindi applicherà due rifrazioni alla luce incidente.
Nel contesto dell'ottica geometrica, si considera quindi che i raggi luminosi provenienti da un oggetto vengono rifratti dalla lente, ad eccezione di quelli che passano attraverso il centro ottico della lente.
Lente piana convergente convessa.
Lente piano concavo divergente.
Nel quadro più generale dell'ottica fisica in cui l'approssimazione dei raggi luminosi non è presa in considerazione ma dove la luce è considerata un'onda elettromagnetica, l'effetto delle lenti è considerato in modo diverso. Le superfici d'onda che arrivano sulla lente vedranno la loro propagazione alterata dal nuovo mezzo trasparente e la lente modificherà così la superficie dell'onda. Pertanto si ritiene spesso che un'onda piana venga trasformata in un'onda quasi sferica da una lente ottica perfetta.
Le lenti sferiche hanno un asse ottico che coincide con il loro asse di rivoluzione. Altri tipi di lenti, le cui diottrie non sono porzioni di una sfera con simmetria di rivoluzione, non hanno strettamente un asse ottico. Ad esempio, lenti asferiche, a forma libera o cilindriche non hanno un asse ottico di per sé. Il punto sull'asse ottico attraverso il quale i raggi possono passare senza essere deviati è chiamato centro ottico .
Lente convergente.
Lente convergente.
Lente divergente.
Lente divergente.
Il piano perpendicolare all'asse ottico e passante per F ′ è chiamato piano focale dell'immagine ei suoi punti sono fuochi dell'immagine secondaria . Allo stesso modo, il piano perpendicolare all'asse ottico e passante per il punto focale dell'oggetto F è chiamato piano focale dell'oggetto .
Nel caso di una lente spessa, usiamo
e
dove H e H 'sono l' oggetto principale e i punti dell'immagine del sistema centrato equivalente all'obiettivo.
La distanza algebrica è positiva se si trova a valle della lente (lente convergente) e negativa se è a monte della lente (lente divergente).
La determinazione sperimentale della lunghezza focale f ′ di una lente ottica è chiamata focometria .
Consideriamo un'onda luminosa che si propaga in una data direzione. Il semispazio situato a monte della lente rispetto a questa direzione di propagazione è chiamato spazio dell'oggetto . Il semispazio situato a valle dell'obiettivo è chiamato spazio dell'immagine .
Se A è un oggetto situato a valle della lente, A è un oggetto virtuale ed è positivo; se A è un oggetto reale situato a monte della lente, questa distanza è negativa. Per un'immagine reale A ′ situata a valle dell'obiettivo, è positiva, e per un'immagine virtuale situata a monte dell'obiettivo, è negativa (per una lente divergente, prendendo le annotazioni delle immagini sopra, è necessario invertire S 1 e S 2 ).
Lo stigmatismo di un'ottica designa la proprietà di una lente di formare un singolo punto dell'immagine per un punto dell'oggetto. Questa proprietà non è generalmente verificata per lenti sferiche tranne in 2 casi particolari:
Un'ottica non stigmatica forma una macchia dell'immagine invece di un punto. A seconda della configurazione del sistema ottico, può quindi essere preferibile optare per lenti asferiche . Ad esempio, nel caso di un oggetto situato all'infinito, una lente con una faccia parabolica è stigmatica.
Un sistema ottico si dice aplanatico se l'immagine di un oggetto perpendicolare all'asse di simmetria del sistema è essa stessa perpendicolare a quest'ultimo.
Le lenti ottiche non formano immagini perfette: l'immagine di un punto di solito non è un punto, ma un punto dovuto alla diffrazione e alle aberrazioni. Queste aberrazioni influiscono sulla qualità delle immagini, ma possono comunque essere minimizzate dall'associazione di due lenti di vetri ottici differenti che agiscono in correzione.
Classifichiamo le aberrazioni in due grandi famiglie:
Una lente sottile è una lente che soddisfa le seguenti tre condizioni:
Le lenti spesse non hanno le stesse proprietà delle lenti sottili .
Le lenti sferiche si dividono in due famiglie principali:
Lenti convergenti | Biconvesso simmetrico - biconvesso asimmetrico | Le due diottrie sono convesse sferiche. I centri delle sfere si trovano ciascuno su un lato del piano della lente. |
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Piano convesso | Una delle diottrie è sferica convessa, l'altra è piana. | |
Il menisco converge | Le due diottrie sono sferiche, una convessa e l'altra concava. I centri delle sfere si trovano sullo stesso lato del piano della lente. Il raggio di curvatura della faccia concava è maggiore di quello della faccia convessa. | |
Lenti divergenti | Biconcava simmetrica - biconcava asimmetrica | Le due diottrie sono sferiche concave. I centri delle sfere si trovano ciascuno su un lato del piano della lente. |
Piano concavo | Una delle diottrie è sferica concava, l'altra è piana. | |
Menisco divergente | Le due diottrie sono sferiche, una convessa e l'altra concava. I centri delle sfere si trovano sullo stesso lato del piano della lente. Il raggio di curvatura della faccia concava è minore di quello della faccia convessa. |
Il simbolo della doppia freccia è utilizzato nel caso di lenti sottili , il che permette di semplificare le costruzioni grazie a certe approssimazioni quando si rispettano le condizioni di Gauss , cioè quando i raggi che colpiscono la lente colpiscono in prossimità del centro ottico dell'obiettivo e che la loro direzione sia vicina all'asse ottico.
Determinazione della vergenza
Dove designa l'indice del materiale utilizzato, l'indice del mezzo ambiente, l'immagine lunghezza focale, e il raggio di curvatura dei 2 diottrie e la distanza tra i due vertici delle diottrie.
Nel caso speciale di una lente sottile, e quindi il secondo termine viene trascurato.
Applicazioni
Le lenti cilindriche sono cilindri in senso lato (forma ottenuta traslando una curva lungo una generatrice). Le diottrie sono esse stesse cilindri. A volte vengono chiamate "lenti anamorfiche" (soprattutto nel mondo del cinema ) perché possono essere utilizzate per ottenere l' anamorfosi .
Per i raggi che si propagano in un piano contenente un generatore, si comportano come una finestra , il raggio non viene deviato. Per i raggi che si propagano in un piano perpendicolare alle generatrici, si comportano come una lente convenzionale a simmetria assiale.
Sono utilizzati principalmente per:
Le cosiddette lenti diffrattive possono essere utilizzate per ridurre il numero di elementi nei sistemi di lenti convenzionali ed eliminare la necessità di materiali per correggere le aberrazioni cromatiche . Sono elementi molto sottili con altezza totale pari a λ / (n - 1), dove λ è la lunghezza d'onda di lavoro en è l' indice di rifrazione, costituiti da una serie di zone che si assottigliano verso il bordo della lente.
Gli elementi diffrattivi funzionano meglio su una singola lunghezza d'onda, a qualsiasi altra lunghezza d'onda l'efficienza e il contrasto dell'immagine sono ridotti.
Le gocce d'acqua come la rugiada possono essere una forma di lente naturale. Di piccole dimensioni, hanno la forma di una calotta sferica. Più grandi, si deformano sotto il loro stesso peso. Il valore limite è di pochi millimetri per l'acqua. Sono quindi utilizzati in alcune ottiche delle telecamere dei telefoni cellulari , consentendo di avere una lunghezza focale variabile deformando elettricamente l'obiettivo.
Il cristallino dell'occhio può essere modellato in ottica geometrica come una lente convergente di vergenza variabile (vicino a 60 diottrie per un occhio emmetropico a riposo). Grazie all'azione dei muscoli ciliari, il cristallino (costituito da cellule flessibili) può deformarsi notevolmente per adattarsi alla visione da vicino o da lontano. Questa adattabilità è l' accomodazione , diminuisce gradualmente con l'età che può portare alla presbiopia .