Шаровая линза

Шаровая линза – это оптическая линза в форме сферы . Формально это двояковыпуклая сферическая линза с одинаковым радиусом кривизны с обеих сторон и диаметром, равным удвоенному радиусу кривизны. те же оптические законы Для анализа характеристик изображения можно применять , что и для других линз.

В качестве линзы прозрачная сфера из любого материала с показателем преломления ( $n$ ) больше, чем у воздуха ( $n > 1,00$ ), изгибает параллельные лучи света к фокусной точке . Для большинства стекловидных материалов точка фокуса лишь немного выходит за поверхность шара, на стороне, противоположной той, куда входят лучи. Шаровые линзы имеют чрезвычайно высокую оптическую аберрацию , включая большую кому и кривизну поля по сравнению с обычными линзами.

Шаровые линзы или « линзшары » используются фотографами для создания новых широкоугольных фотографий.

Оптическая связь

Первые линзы, вероятно, представляли собой сферические или цилиндрические стеклянные контейнеры, наполненные водой, которая, как заметили люди, обладала способностью фокусировать свет. Простые выпуклые линзы имеют поверхность, представляющую собой небольшие участки сферы. Шаровая линза — это простая линза, радиусы кривизны поверхностей которой равны радиусу самой линзы.

Шаровая линза преломляет свет на границе между ее поверхностью и окружающей средой. Свет от коллимированного источника изгибается в сходящийся конус. Лучи движутся по прямым линиям внутри линзы, а затем снова изгибаются на выходе, сходясь к фокусной точке, которая обычно находится сразу за пределами шара.

Фокусное расстояние шаровой линзы зависит от ее показателя преломления и диаметра. Эффективное фокусное расстояние (EFL) шаровой линзы намного больше, чем заднее фокусное расстояние (BFL), расстояние от задней поверхности линзы до фокусной точки. Шаровые линзы имеют минимально возможное фокусное расстояние для данного диаметра линзы (для сферической линзы). Благодаря оптическому инварианту это позволяет фокусировать свет коллимированного луча до меньших диаметров, чем это можно было бы достичь с помощью других сферических линз. Точно так же точечный источник света, помещенный в фокус, будет создавать коллимированный луч, исходящий с противоположной стороны линзы, а большое отношение диаметра линзы к фокусному расстоянию (большая числовая апертура ) позволяет улавливать больше света, чем было бы возможно. возможно с другими сферическими линзами. Это делает шариковые линзы особенно подходящими для передачи света от лазера к оптоволоконному кабелю или детектору, или от одного оптоволоконного кабеля к другому, или для микрооптических систем. Кроме того, шариковые линзы являются всенаправленными, что облегчает выравнивание оптических соединений по сравнению с линзами других типов, поскольку все, что необходимо, — это держать все по центру. Шаровые линзы для оптической связи обычно имеют небольшие размеры: от 5 миллиметров до 110 микрометров, с фокусным расстоянием от 100 до 250 микрометров. Они, как правило, изготовлены из высококачественного оптическое стекло, такое как боросиликатное стекло или кварцевое стекло , или кристаллы, такие как синтетический сапфир, с показателями преломления в диапазоне от 1,5 до 1,8. Более высокие индексы приводят к более короткому фокусному расстоянию для шара данного размера. ^[1]

Волоконная оптика

Шаровые линзы часто используются в волоконной оптике. Благодаря короткому фокусному расстоянию и, как следствие, небольшому диаметру перетяжки лазерного луча, они идеально подходят для фокусировки почти всего света лазера в сердцевину оптического волокна. Числовые апертуры волокна и линзы должны совпадать. Волокно обычно можно разместить в прямом контакте с мячом, что облегчает выравнивание.

Кроме того, на выходной стороне оптоволоконного кабеля можно использовать шариковую линзу для коллимации выходного сигнала обратно в луч. Таким образом, две линзы, расположенные друг напротив друга, можно использовать для соединения двух кабелей друг с другом. ^[2]

микроскопия

Шаровые линзы редко используются для получения изображений из-за их высокой оптической аберрации . Однако их очень короткие фокусные расстояния позволяют использовать их для изготовления очень простых микроскопов . Шаровая линза диаметром 3 мм может увеличить изображение в 100–200 раз, а шариковая линза диаметром 1 мм позволит получить изображения в 200–350 раз больше их фактического размера. ^[3] Кроме того, поскольку они всенаправлены и имеют большую апертуру для своего фокусного расстояния, шариковые линзы преобразуют такие изображения в волновые фронты Бесселя , которые имеют уменьшенные дифракционные эффекты и могут отображаться как в дальнем, так и в ближнем поле. ^[4] В 1677 году Антони ван Левенгук использовал небольшую шариковую линзу для создания однолинзового микроскопа с 300-кратным увеличением, что позволило впервые наблюдать сперматозоиды . Шаровые линзы нашли применение во многих приложениях для получения микроизображений, от электронных микроскопов до однолинзовых микроскопов для смартфонов и наномикроскопии. ^[5]

Всенаправленный объектив

В отличие от других типов линз, шаровая линза обладает всенаправленными свойствами формирования изображения (независимо от направления изображения). Этот эффект используется в записывающем устройстве Кэмпбелла-Стокса , научном приборе, который записывает яркость солнечного света путем сжигания поверхности бумажной карты, обернутой вокруг сферы. Устройство, само по себе зафиксированное, записывает видимое движение и интенсивность солнца по небу, записывая изображение движения солнца на карту. ^{[ нужна ссылка ]}

Ленсбольная фотография

Шаровые линзы используются фотографами для создания новых широкоугольных фотографий. ^[6]^[7]^[8] Шаровая линза расположена довольно близко к камере, и для фокусировки изображения через нее используются собственные линзы камеры. Свет фокусируется в небольшом пятне на выходной поверхности шара и достигает своей фокальной точки сразу за пределами поверхности. Отсюда свет расходится, переворачивая правую/левую и верхнюю/нижнюю оси. Таким образом, если камера окажется слишком близко к объективу шара, фон вокруг шара будет полностью размыт. Чем дальше камера находится от шарового объектива, тем лучше будет фокусироваться на заднем плане. ^[9]

Специальные типы

Чрезвычайно преломляющее стекло

Для материалов с показателем преломления более 2 объекты, находящиеся на бесконечности, формируют изображение внутри сферы. Изображение недоступно напрямую; ближайшая доступная точка находится на поверхности сферы прямо напротив источника света. Большинство прозрачных твердых веществ, используемых для изготовления линз, имеют показатель преломления от 1,4 до 1,6; лишь немногие редкие материалы имеют показатель преломления 2 или выше ( кубик циркония , нитрид бора (c-BN и w-BN), алмаз , муассанит ). Многие из этих немногих либо слишком хрупкие, слишком мягкие, слишком твердые или слишком дорогие для практического изготовления линз ( колумбит , рутил , танталит , таусонит ). При показателе преломления ровно 2,0 изображение формируется на поверхности сферы. ^{[ нужна ссылка ]}

Индекс градиента

Линза Люнебурга — это шаровая линза, имеющая радиально изменяющийся показатель преломления, соответствующий определенному профилю. Линза Люнеберга имеет фокусы вне линзы и может идеально отображать сферический объект. Линзы Люнеберга, предназначенные для радиоволн, используются в некоторых радиолокационных системах и радиоантеннах.

См. также

Хрустальный шар

Ссылки

^ Заппе, Ганс (2010). Основы микрооптики . Издательство Кембриджского университета. стр. 256–257.
^ Аль-Аззави, Абдул (2007). Свет и оптика: принципы и практика . ЦРК Пресс. стр. 9-36–9-37.
^ Ян (2015). Амбиентная диагностика . ЦРК Пресс. п. 244.
^ Линь, Минг-Цер; Ферлонг, Косме; Хван, Чи-Хунг (2023). Достижения в оптических методах, корреляции цифровых изображений, микро- и наномеханике . Том. 4. Спрингер. стр. 1–10.
^ Скиннер, Майкл К. (2016). Энциклопедия репродукции . Эльзевир. п. 66.
^ Бонд, Саймон (22 декабря 2016 г.). «Создай пейзажи из стеклянных шаров» . Ленсбол. Школа цифровой фотографии . Проверено 28 февраля 2020 г. .
^ «Ленсбольная фотография» . Рефракция . Проверено 6 июня 2023 г.
^ «Ленсбольная фотография» . Lensball.com.au . Проверено 4 марта 2019 г.
^ «Семь советов по созданию потрясающих фотографий с линзболом» . Австралийская фотография . 31 марта 2020 г. Проверено 7 июня 2023 г. - через australianphotography.com.

[1] Заппе, Ганс (2010). Основы микрооптики . Издательство Кембриджского университета. стр. 256–257.

[2] Аль-Аззави, Абдул (2007). Свет и оптика: принципы и практика . ЦРК Пресс. стр. 9-36–9-37.

[3] Ян (2015). Амбиентная диагностика . ЦРК Пресс. п. 244.

[4] Линь, Минг-Цер; Ферлонг, Косме; Хван, Чи-Хунг (2023). Достижения в оптических методах, корреляции цифровых изображений, микро- и наномеханике . Том. 4. Спрингер. стр. 1–10.

[5] Скиннер, Майкл К. (2016). Энциклопедия репродукции . Эльзевир. п. 66.

[Bond-2016-6] Бонд, Саймон (22 декабря 2016 г.). «Создай пейзажи из стеклянных шаров» . Ленсбол. Школа цифровой фотографии . Проверено 28 февраля 2020 г. .

[Refractique_Site-7] «Ленсбольная фотография» . Рефракция . Проверено 6 июня 2023 г.

[lensball-australia-8] «Ленсбольная фотография» . Lensball.com.au . Проверено 4 марта 2019 г.

[9] «Семь советов по созданию потрясающих фотографий с линзболом» . Австралийская фотография . 31 марта 2020 г. Проверено 7 июня 2023 г. - через australianphotography.com.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]