Как работает линза. Как устроена и работает контактная линза. Что делают контактные линзы

В статье рассказывается о том, что такое линзы, для чего используются, где применяются, и в частности об оптических и контактных линзах.

Развитие науки

Во все времена находились те, кого интересовало истинное устройство мира и природных явлений. Особенно человеческое внимание приковывали к себе небо и звезды. Первые телескопы были изобретены еще в Средние века, и их появление послужило череде астрономических открытий. Поспособствовало тому еще такая вещь как развитие стекольной промышленности, а в частности линз. Примерно в те же годы были изобретены и первые микроскопы, которые постоянно совершенствовались и также помогли ученым познать тайны макромира. Так что такое линзы, как устроены, где применяются и для чего нужны? В этом мы и разберемся.

Определение

Согласно официальной терминологии, линза - это деталь из прозрачного материала с двумя поверхностями, которые преломляют лучи света. Производятся они из стекла, пластика или иного подобного оптического материала. Также этот термин может быть применим и к другим явлениям, к примеру, воздушная подземного озера и т.п. Но мы разберем именно оптические. Что такое линзы, мы разобрали, но как они работают?

Все дело в их поверхности. Проще говоря, одна их поверхность собирает свет, а вторая из-за своей формы преломляет его. Или же наоборот. Также в подобном процессе могут участвовать сразу обе стороны: одна, принимая, рассеивает, а вторая собирает в пучок и т.п.

С увеличительными линзами, наверное, знакомы все, особенно мальчишки, которые в летнюю пору, собирая ими свет, превращали его в крошечную и горячую точку. И, кстати, интересный факт: подобный способ разведения огня упоминается в пьесе Аристофана «Облака», датируемой 424 годом до н. э. В Римской Империи также впервые были применен способ коррекции зрения с помощью линзы: смотрел на бои гладиаторов через вогнутый изумруд. Вероятно, он страдал близорукостью. Так что теперь мы знаем, что такое линзы.

Классификация

По техническому принципу действия их можно разделить на две группы - рассеивающие и собирающие. К первой относятся те, у которых середина толще чем края, а ко второй те, чьи края толще середины. Это определение относится только к простому их типу.

Характеризуются они также по своей оптической силе, которая измеряется в диоптриях, и фокусным расстоянием. Но что такое фокус линзы?

Если говорить упрощенно, то это точка, где собираются лучи света, которые прошли через линзу. А термином «фокусное расстояние» обозначают длину от центра оптической линзы до самого места фокусировки. Объяснить это можно также на примере детской игры с и солнцем: чтобы лучи последнего собрались в горячую точку, необходимо найти нужное расстояние между светом и поверхностью. Также это проявляется и при ношении очков - если их слишком сильно приблизить или отдалить от глаз, то изображение будет размываться. Так что теперь мы знаем, что такое фокус линзы.

Области применения

С открытием возможности изменения длины световой волны посредством линз (увеличение изображения) человечество быстро оценило ее по заслугам. Началось все с простых телескопов и И последние долгое время были показателем статуса капитана корабля или исследователя, так как стоили немало денег и их часто инкрустировали драгоценными камнями и металлами.

А позже первые микроскопы позволяли приоткрыть завесу макромира. Правда, некоторые современные модели, действующие по зондирующему типу, линз почти лишены. Но зато они позволяют строить трехмерные и мелких объектов.

Различные устройства с линзами также являются неотъемлемой частью современного мира: они есть в камерах мобильных телефонов, фото и видеоаппаратов, даже обычные содержат линзы. Но в них используется не метод увеличения, а наоборот, рассеивания света, благодаря которому маленькое отверстие позволяет видеть всю лестничную площадку.

Также при вопросе о том, что такое оптические линзы, нельзя не упомянуть очки. Это простое устройство было изобретено в Средние века и мало изменилось, но оно значительно облегчает жизнь людям с нарушением зрения. Первые их праобразы применялись еще в Древнем Риме, но тогда они представляли собой просто плоские куски стекла с выпуклой или вогнутой формой, которыми пользовались редко, к примеру, для чтения или для изучения далеких объектов.

Контактные

Но что такое контактные линзы? Принцип их действия такой же, что и в обычных, но размер гораздо меньше. Изготавливаются они из мягкого пластика и надеваются прямо на роговицу глаза. Несмотря на преимущества перед обычными очками, они не вытеснили их полностью, как предрекали изобретатели. Подобные линзы более трудны в «надевании», им нужен частый уход, а долгое ношение утомляет и раздражает глаза. К тому же срок их службы меньше обычных очков, а цена порой выше.

26-10-2013, 23:06

Описание

Легче всего ответить на вопрос, не будет ли больно. Вам наверняка приходилось доставать соринку из глаза, и по аналогии вы, возможно, думаете, что более крупный предмет, каким является контактная линза, причинит вам большую боль. Однако чувствительность роговицы (передняя поверхность глаза, на которую и одевается контактная линза) очень избирательна. Роговица сверхчувствительна к мельчайшим касающимся ее частицам, чего нельзя сказать о более крупных. В это довольно трудно поверить, но только до тех пор, пока вы не поймете, что имеется крупный предмет, который касается вашей роговицы несколько тысяч раз в день, - это ваше веко. Когда контактная линза одета правильно, ощущать ее вы будете не больше, чем собственное веко.

Из всего этого отнюдь не следует, что при первой примерке контактной линзы вы ничего не почувствуете - наоборот, у вас будет ясное ощущение того, что при каждом моргании внутренняя поверхность века трется о кромку линзы (причем это ощущение исходит от века, а не от роговицы). Если стоят мягкие контактные линзы, то это ощущение почти незаметно, и даже в первый раз вам будет вполне удобно.

Что касается первого вопроса - сможете ли вы носить контактные линзы, то ответ на него обусловлен способностью роговицы адаптироваться к меньшему поступлению кислорода и изменению метаболизма. Это зависит от особенностей ваших глаз, выписанного рецепта и, самое главное, квалификации врача. Короче говоря, большинство людей, если у них есть такое желание, могут носить контактные линзы - при условии, что они правильно подобраны и установлены.

В последние двадцать лет, особенно после появления мягких контактных линз, использование их резко возросло. Их носят миллионы людей, а несколько миллионов других купили их и отложили в ящик туалетного столика. Этот «неуспех» вызван несколькими причинами, главными из которых являются неправильная и поспешная установка, которая впоследствии усугубляется еще более неправильным уходом.

Многих полупрофессионалов и псевдоспециалистов к работе с контактными линзами приводит стремление подзаработать без особого труда. В газетах, по телевидению, в различных справочниках появляется огромное количество рекламных объявлений, предлагающих установку контактных линз. По нашему опыту, наиболее падки на них подростки и молодые девушки - они не хотят выглядеть «очкариками», но в то же время у них не хватает мудрости принять решение на основе предварительно накопленной информации. Конечно, в этом играет свою роль и появление контактных линз, меняющих цвет глаз. К сожалению, хорошо составленная реклама всегда побеждает опыт, знания и советы специалистов по контактным линзам. Такие специалисты просто могут затеряться среди посредственных псевдоэкспертов, так как мягкие контактные линзы с самого начала носятся без проблем, и покупатель не может сам оценить правильность их установки и соответствие размера. Будьте особенно осторожны по отношению к различным «распродажам» и «скидкам» относительно контактных линз. Почему? Потому что вы покупаете изделие, не похожее на губную помаду или шампунь! Если чудодейственный шампунь не окажет укрепляющее действие на ваши волосы и не придаст им «неотразимый блеск», то в следующий раз вы просто попробуете другой. Если же контактные линзы повредят ваши глаза...

Прочно зарубите себе на носу, что контактные линзы - это одно из средств решить проблемы зрения, а не вечное приспособление, раз и навсегда уже их решившее. Глаза нужно проверять регулярно, так как даже правильно подобранные контактные линзы могут вызвать или скрыть малозаметные изменения, а плохо подобранные линзы могут привести к повреждению роговицы. Хотя и верно, что прежде всего внимание к какой-то проблеме возникает через боль, отнюдь не все проблемы, связанные с ношением контактных линз, начинаются с ощущения дискомфорта или ухудшения зрения. Можно считать почти аксиомой, что врач, правильно подбирающий контактные линзы, всегда настаивает на регулярном и тщательном профилактическом обследовании глаз.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА.

Многие поражаются, узнав, что контактные линзы носили еще в XIX веке. Тем не менее, до начала пятидесятых годов нашего столетия, когда появились небольшие линзы, устанавливаемые на роговицу, применялись они очень редко.

Первые контактные линзы были большими, закрывали глаз почти целиком и изготовлялись из тонкого выдувного стекла. Можете ли вы поставить себя на место смельчака, решившегося поместить в глаз хрупкую стеклянную полусферу? Делалось это отнюдь не от тщеславия. Такие линзы носили люди, которые могли хорошо видеть только с их помощью - очки им не помогали.
В 40-х годах нашего века с развитием производства чистых прозрачных пластмасс хрупкие стеклянные линзы были почти полностью ими вытеснены. Новые пластмассовые линзы были большими, выпуклыми, покрывали роговицу и склеру. Последующее изобретение тонких небольших линз, одеваемых на роговицу и удерживаемых на своем месте просто капиллярным притяжением, стало настоящим прорывом, давшим возможность носить их гораздо большему числу людей.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Роговица - во многих отношениях структура уникальная. Кроме того, что она прозрачна и по-разному реагирует на разные раздражители, роговица не имеет прямого кровоснабжения. Поэтому она должна получать кислород и большинство питательных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности любой живой ткани, непосредственно из воздуха и слез. Слезы должны также смывать все биологические отходы жизнедеятельности. Если что-либо препятствует поступлению воздуха или нарушает слезную пленку, тогда нарушается метаболизм роговицы и ее прозрачность, и вы сразу же сможете это почувствовать.

Первые жесткие контактные линзы, изготовленные из полиметилметакрилата (ПММА), не пропускали воздух. Они проектировались таким образом, чтобы при каждом моргании могли немного смещаться, обеспечивая возможность воздухообмена и заменяя старую слезу с двуокисью углерода на свежую, богатую кислородом.

Появившиеся позднее жесткие газопроницаемые линзы (ЖГЛ) изготавливаются из смеси различных полимеров, благодаря чему допускают некоторый воздухообмен. Однако большинство из них смачивается хуже, чем старые ПММА, и поэтому возникают новые проблемы правильной установки линз.

При конструировании контактных линз учитываются как ваше удобство, так и здоровье роговицы. Если рассматривать роговицу в разрезе с достаточным увеличением, то можно заметить, что она имеет асферическую (не чисто сферическую) форму. Центр ее несколько выпячен, а кромки около склеры глаза уплощены. Жесткие контактные линзы должны приближаться к этой форме, но только приближаться. Некоторые линзы для их лучшей насадки изготовляются с асферической кривизной. Если линза будет прилегать к глазу слишком плотно, то давление приведет к отеку роговицы и ухудшению зрения, а если зазор будет слишком велик, то она будет соскальзывать, натирать и раздражать роговицу и веко, и может даже вообще выскочить из глаза. Между плотностью прилегания и величиной зазора должен быть найден точный баланс, достигаемый путем контроля кривизны линзы, ее размера, толщины и скоса кромок. Если принять во внимание, что средняя жесткая контактная линза имеет размер всего 9 миллиметров в диаметре и толщину порядка 0,2 миллиметра и даже меньше, то в этом крошечном кусочке пластмассы приходится учитывать огромное количество факторов.

Мягкие контактные линзы (МКЛ) называются так потому, что обладают способностью впитывать воду. В отличие от жестких линз, которые не выходят за пределы роговицы, кромка мягких линз заходит на склеру глаза (рис. 33).

Будучи одетой, такая линза впитывает в себя слезу, при этом процент поглощаемой влаги в зависимости от материала линзы находится в пределах от 20 до 80. Количество кислорода и двуокиси углерода, проникающих сквозь мягкую линзу, зависит от содержания воды в ней, а также толщины самой линзы. Механизм удаления отходов не вполне ясен (некоторые из продуктов жизнедеятельности могут линзой задерживаться), и это может сказываться отрицательным образом, особенно при долговременном ношении линз.

ЗАЧЕМ НОСИТЬ КОНТАКТНЫЕ ЛИНЗЫ?

Для большинства людей на первый план выходят соображения красоты, хотя на самом деле у контактных линз много разных преимуществ.

Большей частью эти преимущества свойственны и жестким, и мягким контактным линзам.

1. Зрение становится более естественным, размеры предметов представляются почти настоящими. В очках форма и размеры предметов могут казаться искаженными.
2. Контактные линзы при движении глаз перемещаются вместе с ними, так что при этом не возникает тех искажений, которые бывают, если вы носите очки.
3. Оправа очков уже не ограничивает боковое зрение.
4. При дожде или снеге капли или снежинки не попадают на линзы.
5. Контактные линзы не запотевают при изменении температуры или влажности.
6. Если нужна коррекция зрения, сильно отличающаяся по своим параметрам для каждого глаза, то контактные линзы могут быть единственным способом, при котором оба глаза будут действовать согласованно.
7. У некоторых людей с тенденцией к косоглазию достигается лучшее управление глазодвигательной активностью.
8. При ношении контактных линз обычно уменьшается необходимость в частой коррекции зрения.
9. Контактные линзы могут защищать роговицу на время ее выздоровления (мягкие лечебные линзы).
10. Контактные линзы могут служить компонентом более сложных оптических систем для слабовидящих.

В некоторых редких случаях контактные линзы являются единственным способом обеспечить возможность хорошего зрения, а именно тогда, когда повреждена роговица, когда у нее неправильная форма, или при кератоконусе, заболевании, вызывающем истончение и выпячивание центральной части роговицы в виде конуса. В этих случаях обычно применяются контактные линзы типа ЖГЛ.

ОБСЛЕДОВАНИЕ НА ПРЕДМЕТ ПОКАЗАННОСТИ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗ.

Такое обследование начинается с обычной проверки глаз и зрения с особым вниманием к состоянию роговицы и век. При этом может выявиться что-то необычное, что может исключить или снизить возможность применения линз. Что касается конкретно контактных линз, то замеряется кривизна роговицы. Также оценивается количество и химический состав слезы, так как слеза оказывает существенное влияние на выбор материала и определение длительности периода ношения линз.

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ПРИМЕРКА.

Общее обследование может подсказать врачу, какие именно линзы подходят вам больше всего, но для окончательного выбора обязательно нужно попробовать несколько вариантов - из различного материала и разной конструкции. Обычно для такой «диагностической носки» вам назначат несколько сеансов, и лишь после этого принимается окончательное решение.

1) Изображение может быть мнимое или действительное . Если изображение образовано самими лучами (т.е. в данную точку поступает световая энергия), то оно действительное, если же не самими лучами, а их продолжениями, то говорят, что изображение мнимое (световая энергия не поступает в данную точку).

2) Если верх и низ изображения ориентированы аналогично самому предмету, то изображение называется прямым . Если же изображение перевернуто, то его называют обратным (перевернутым) .

3) Изображение характеризуется приобретаемыми размерами: увеличенное, уменьшенное, равное.

Изображение в плоском зеркале

Изображение в плоском зеркале является мнимым, прямым, равным по размерам предмету, находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

Линзы

Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейными поверхностями.

Различают шесть типов линз.

Собирающие: 1 - двояковыпуклая, 2 - плоско-выпуклая, 3 - выпукло-вогнутая. Рассеивающие: 4 - двояковогнутая; 5 - плосковогнутая; 6 - вогнуто-выпуклая.

Собирающая линза

Рассеивающая линза

Характеристики линз.

NN - главная оптическая ось - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу;

O - оптический центр - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре);

F - главный фокус линзы - точка, в которую собирается пучок света, распространяющийся параллельно главной оптической оси;

OF - фокусное расстояние;

N"N" - побочная ось линзы;

F" - побочный фокус;

Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси.

Ход лучей в линзе.

Луч, идущий через оптический центр линзы (О), не испытывает преломления.

Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через главный фокус (F).

Луч, проходящий через главный фокус (F), после преломления идет параллельно главной оптической оси.

Луч, идущий параллельно побочной оптической оси (N"N"), проходит через побочный фокус (F").

Формула линзы.

При использовании формулы линзы следует верно использовать правило знаков: +F - линза собирающая; -F - линза рассеивающая; +d - предмет действительный; -d - предмет мнимый; +f - изображение предмета действительное; -f - изображение предмета мнимое.

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется оптической силой .

Поперечное увеличение - отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета.

Современные оптические устройства используют системы линз для улучшения качества изображений. Оптическая сила системы линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил.

1 - роговица; 2 - радужная оболочка; 3 - белочная оболочка (склера); 4 - сосудистая оболочка; 5 - пигментный слой; 6 - желтое пятно; 7 - зрительный нерв; 8 - сетчатка; 9 - мышца; 10 - связки хрусталика; 11 - хрусталик; 12 - зрачок.

Хрусталик является линзоподобным телом и осуществляет настройку нашего зрения на различные расстояния. В оптической системе глаза фокусировка изображения на сетчатку называется аккомодацией . У человека аккомодация происходит за счет увеличения выпуклости хрусталика, осуществляемого с помощью мышц. При этом изменяется оптическая сила глаза.

Изображение предмета, попадающее на сетчатку глаза, является действительным, уменьшенным, перевернутым.

Расстояние наилучшего зрения должно быть около 25 см, а предел зрения (дальняя точка) находится на бесконечности.

Близорукость (миопия) - дефект зрения, при котором глаз видит расплывчато, а изображение фокусируется перед сетчаткой.

Дальнозоркость (гиперопия) - дефект зрения, при котором изображение фокусируется за сетчаткой.

Главным применением законов преломления света являются линзы.

Что такое линза?

Само слово «линза» означает «чечевица».

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

Рассмотрим, как работает линза на принципе преломления света.

Рис. 1. Двояковыпуклая линза

Линза может быть разбита на несколько отдельных частей, каждая из которых представляет собой стеклянную призму. Верхнюю часть линзы представим в виде трехгранной призмы: падая на нее, свет преломляется и смещается в сторону основания. Все следующие части линзы представим как трапеции, в которых луч света проходит внутрь и снова выходит, смещаясь в направлении (рис. 1).

Виды линз (рис. 2)

Рис. 2. Виды линз

Собирающие линзы

1 - двояковыпуклая линза

2 - плоско-выпуклая линза

3 - выпукло-вогнутая линза

Рассеивающие линзы

4 - двояковогнутая линза

5 - плоско-вогнутая линза

6 - выпукло-вогнутая линза

Обозначение линз

Тонкая линза - это линза, толщина которой много меньше радиусов, ограничивающих ее поверхность (рис. 3).

Рис. 3. Тонкая линза

Видим, что радиус одной сферической поверхности и другой сферической поверхности больше, чем толщина линзы α.

Линза преломляет свет определенным образом. Если линза собирающая, то лучи собираются в одной точке. Если линза рассеивающая, то лучи рассеиваются.

Для обозначения различных линз введен специальный рисунок (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение линз

1 - схематическое изображение собирающей линзы

2 - схематичное изображение рассеивающей линзы

Точки и линии линзы:

1. Оптический центр линзы

2. Главная оптическая ось линзы (рис. 5)

3. Фокус линзы

4. Оптическая сила линзы

Рис. 5. Главная оптическая ось и оптический центр линзы

Главная оптическая ось - воображаемая линия, которая проходит через центр линзы и перпендикулярна плоскости линзы. Точка О является оптическим центром линзы. Все лучи, проходящие через эту точку, не преломляются.

Другая важная точка линзы - фокус (рис. 6). Он располагается на главной оптической оси линзы. В точке фокуса пересекаются все лучи, которые падают на линзу параллельно главной оптической оси.

Рис. 6. Фокус линзы

У каждой линзы два фокуса. Мы будем рассматривать равнофокусную линзу, то есть когда фокусы стоят от линзы на одинаковом расстоянии.

Расстояние между центром линзы и фокусом называется фокусным расстоянием (отрезок на рисунке). Второй фокус расположен с обратной стороны линзы.

Следующая характеристика линзы - это оптическая сила линзы.

Оптическая сила линзы (обозначается ) - это способность линзы преломлять лучи. Оптическая сила линзы - обратное значение фокусного расстояния:

Фокусное расстояние измеряется в единицах длины.

За единицу оптической силы выбрана такая единица измерения, при которой фокусное расстояние равно одному метру. Такая единица оптической силы называется диоптрия.

У собирающих линз впереди оптической силы ставится знак «+», а если линза рассеивающая, то перед оптической силой ставится знак «-».

Единица диоптрия записывается следующим образом:

Для каждой линзы существует еще одно важное понятие. Это мнимый фокус и действительный фокус.

Действительный фокус - это такой фокус, который образован лучами, преломившимися в линзе.

Мнимый фокус - это фокус, который образуется продолжениями лучей, прошедших через линзу (рис. 7).

Мнимый фокус, как правило, у рассеивающей линзы.

Рис. 7. Мнимый фокус линзы

Вывод

На данном уроке вы узнали, что такое линза, какие бывают линзы. Познакомились с определением тонкой линзы и главными характеристиками линз и узнали, что такое мнимый фокус, действительный фокус, и в чем их различие.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Tak-to-ent.net ().
2. Tepka.ru ().
3. Megaresheba.ru ().

Домашнее задание

1. Задание 1. Определите оптическую силу собирающей линзы с фокусным расстоянием 2 метра.
2. Задание 2. Каково фокусное расстояние линзы, оптическая сила которой равна 5 диоптрий?
3. Задание 3. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу?