Soczewka jest bryłą wykonaną z przezroczystego dla światła materiału (zwykle ze szkła lub sztucznego tworzywa), ograniczoną co najmniej z jednej strony powierzchnią sferyczną. Czasem zdarza się tak, że powierzchnia ta jest paraboliczna bądź walcowata, jednak takich przypadków rozpatrywać nie będziemy. Soczewki mogą mieć zatem różne kształty. Wśród najpopularniejszych ich typów wymienić można:
a) soczewki dwuwypukłe – ograniczone z obu stron powierzchniami kulistymi wypukłymi (Rys. 1.)
R5BH8skb03tl6
b) soczewki płasko‑wypukłe – z jednej strony ograniczone powierzchnią płaską, z drugiej – kulistą wypukłą (Rys. 2.)
RBQdymqLCJptC
c) soczewki wklęsło‑wypukłe – ograniczone z jednej strony powierzchnią kulistą wklęsłą, z drugiej – kulistą wypukłą (Rys. 3.)
RYcb2x0RTYmPI
d) soczewki dwuwklęsłe – z obu stron ograniczone powierzchnią kulistą wklęsłą (Rys. 4.)
RWM6Ip4DGRG5l
e) soczewki płasko‑wklęsłe – z jednej strony ograniczone powierzchnią płaską, z drugiej – kulistą wklęsłą (Rys. 5.)
RpvxYWOpS3Ff4
f) soczewki wypukło‑wklęsłe – z jednej strony ograniczone powierzchnią kulistą wypukłą, z drugiej – kulistą wklęsłą (Rys. 6.)
RYnv8zOK5ggzw
Chcąc opisać takie soczewki powinniśmy przyjąć pewną konwencję, która pozwoli nam tego dokonać. Ustalmy, że:
Prostą przechodzącą przez środki powierzchni ograniczających soczewkę nazywać będziemy osią optyczną soczewki.
W przypadku, gdy mamy do czynienia z powierzchnią wypukłą, przyjmiemy, że promień jej krzywizny jest dodatni, zaś dla powierzchni wklęsłej – przyjmiemy promień ujemny.
Gdy powierzchnia ograniczająca soczewkę będzie płaska, założymy, że jej promień krzywizny jest nieskończony, zatem (jak wiadomo z matematyki) wyrażenie przyjmie wartość 0.
Warto przypomnieć sobie także, że równoległa wiązka promieni świetlnych padająca na soczewkę, po przejściu przez nią, może skupić się w punkcie zwanym ogniskiemogniskoogniskiem (oznaczanym literą F). Taką soczewkę nazywamy skupiającą. W sytuacji, gdy promienie po przejściu przez soczewkę, oddalają się od osi optycznej (czyli wiązka jest rozbieżna), to ich przedłużenia przecinają się w ogniskuogniskoognisku pozornym . Soczewkę taką nazywamy rozpraszającą. Światło może padać na soczewkę zarówno z prawej, jak i z lewej strony. Każda soczewka ma zatem dwa ogniskaogniskoogniska leżące na osi optycznej, po obu jej stronach, w takiej samej odległości od środka. Odległość ogniskaogniskoogniska od środka soczewki nazywana jest ogniskowąogniskowaogniskową, oznaczana jako i wyrażana w metrach. Soczewka skupiająca ma ogniskowąogniskowaogniskową dodatnią, a rozpraszająca ujemną.
Soczewkę charakteryzuje jeszcze jedna wielkość, a mianowicie jej zdolność skupiającazdolność skupiająca soczewkizdolność skupiająca (zbierająca) :
Zdolność skupiającazdolność skupiająca soczewkiZdolność skupiająca jest odwrotnością ogniskowejogniskowaogniskowej. Jej podstawową jednostką jest , określaną popularnie jako dioptria.
Zdolność skupiającą soczewkizdolność skupiająca soczewkiZdolność skupiającą soczewki określa się również bardziej rozbudowanym wzorem, łączącym w sobie zarówno oba promienie krzywizny soczewki oraz , jak i współczynniki załamania ośrodka, z którego dana soczewka została wykonana i ośrodka ją otaczającego . Wzór ten przyjmuje postać:
Stosuje się go do soczewek cienkich, czyli takich, których grubość jest znacznie mniejsza od promienia krzywizny powierzchni ograniczającej soczewkę.
Dla przykładu, dostosowując się do zaproponowanej wyżej konwencji, możemy zapisać:
dla soczewki dwuwypukłej:
R16Clj2r5tb9a
dla soczewki płasko‑wypukłej:
RMbzTiI4rKQP0
dla soczewki dwuwklęsłej:
RJphUoZyucMr3
Jak już wcześniej wspomniano, ogniskowaogniskowaogniskowa soczewki nie zależy wyłącznie od krzywizny powierzchni, ale również od rodzaju materiału, z którego dana soczewka została wykonana – a ściślej rzecz ujmując – od jego współczynnika załamania. Jeśli , to wyrażenie zawarte w pierwszym nawiasie przyjmie wartość mniejszą od zera. Jeśli iloczyn obu nawiasów, będący odwrotnością ogniskowejogniskowaogniskowej, przyjmie wartość dodatnią – mamy wówczas do czynienia z soczewką skupiającą, jeśli zaś wartość mniejszą od zera – z soczewką rozpraszającą. Co to oznacza? Otóż, w przypadku soczewki skupiającej promień świetlny po przejściu przez nią zostanie odchylony w kierunku osi optycznej (Rys. 10.). W przypadku soczewki rozpraszającej promień zostanie odchylony w kierunku przeciwnym (Rys. 11.).
RvVQIOgb04WC9
R1NNJa0WUuxiw
Warto także zwrócić uwagę na to, że soczewka może być skupiająca bądź rozpraszająca zależnie od ośrodka, w którym się znajduje. Tym samym soczewka, która w powietrzu jest soczewką skupiającą, po zanurzeniu w odpowiedniej cieczy, może stać się rozpraszająca (Rys. 12.).
RSTBxTS3h9bCa
Słowniczek
Ognisko
Ognisko
(ang.: focus) punkt układu optycznego, leżący na osi optycznej, charakteryzujący się tym, że promienie początkowo równoległe do osi optycznej po przejściu przez soczewkę przecinają się w nim.
Ogniskowa
Ogniskowa
(ang.: focus lenght) odległość pomiędzy ogniskiem a środkiem soczewki mierzona wzdłuż osi optycznej.
Zdolność skupiająca soczewki
Zdolność skupiająca soczewki
(ang.: optical power) wielkość fizyczna równa co do wartości odwrotności ogniskowej soczewki.