1. Część teoretyczna

1.1 Ognisko – w optyce, punkt, w którym przecinają się promienie świetlne, początkowo równoległe do osi optycznej, po przejściu przez układ optyczny skupiający (ognisko rzeczywiste) lub punkt, w którym przecinają się przedłużenia tych promieni po przejściu przez rozpraszający układ optyczny (ognisko pozorne).

W przypadku soczewek wyróżnia się dwa rodzaje ognisk leżących po przeciwnych stronach soczewki: ognisko pierwsze, inaczej przedmiotowe oraz ognisko drugie, czyli obrazowe. Rozróżnienie to jest ściśle techniczne, ze względu na umiejscowienie soczewki w układzie optycznym, ponieważ oba ogniska położone są symetrycznie względem soczewki. Dla soczewek skupiających ognisko drugie znajduje się po przeciwnej stronie soczewki niż źródło światła, a dla rozpraszających ognisko drugie znajduje się po tej samej stronie co źródło światła.

W przypadku zwierciadeł istnieje tylko jedno ognisko. Ognisko to może leżeć przed zwierciadłem (zwierciadło wklęsłe) lub za zwierciadłem (pozorne ognisko w zwierciadle wypukłym).

Z definicji ogniska wynika, że umieszczenie źródła światła w ognisku spowoduje, że wiązka światła, po odbiciu od zwierciadła lub przejściu przez soczewkę, będzie równoległa do osi optycznej. Zjawisko to wykorzystuje się przy konstrukcji lamp, reflektorów, kolimatorów.

Ognisko jest punktem w optyce geometrycznej dla nieskończenie cienkich soczewek i dla promieni przyosiowych. W praktyce, ze względu na kształt elementów optycznych, wiązka promieni równoległych do osi optycznej nie zostaje skupiona dokładnie w jednym punkcie. Przyczyną tego są aberracje optyczne. Ponadto falowa natura światła jest powodem tego, że nawet układy wolne od aberracji nie tworzą obrazu ściśle punktowego.

Ognisko rzeczywiste dla soczewki skupiającej.

Ognisko pozorne dla soczewki rozpraszającej.

1.2 Zdolność skupiająca – wielkość definiowana dla pojedynczych soczewek i dla układu optycznego oznaczająca odwrotność ogniskowej soczewki lub układu.

gdzie:

Z – zdolność skupiająca,

f – ogniskowa.

Jest mierzona w dioptriach. Wymiarem dioptrii jest odwrotność metra.

1.4 Równanie soczewki (zwierciadła) jest to równanie określające zależność pomiędzy odległością przedmiotu od soczewki a odległością jego obrazu otrzymanego w tej soczewce

gdzie

x – odległość przedmiotu od soczewki,

y – odległość obrazu od soczewki,

f – ogniskowa soczewki.

1.5 Obrazy w soczewce skupiającej mogą być rzeczywiste i pozorne, proste i odwrócone, powiększone i pomniejszone. Charakter obrazu zależy od odległości x, w jakiej przedmiot znajduje się przed soczewką.
Na rysunkach poniżej przedstawiono konstrukcję obrazów w soczewce skupiającej, przy różnych położeniach przedmiotu.
Z rysunków tych wynikają następujące prawidłowości:
1) Jeżeli przedmiot leży przed soczewką w odległości x > 2f, to jego obraz jest odwrócony, pomniejszony i rzeczywisty.
2) Jeżeli przedmiot leży przed soczewką w odległości x = 2f, to jego obraz jest odwrócony, tej samej wielkości co przedmiot i rzeczywisty.
3) Jeżeli przedmiot leży przed soczewką w odległości f < x < 2f, to jego obraz jest odwrócony, powiększony i rzeczywisty.
4) Jeżeli przedmiot leży przed soczewką w odległości x = f, to obraz nie powstaje.




5) Jeżeli przedmiot leży przed soczewką w odległości x < f, to jego obraz jest prosty, powiększony i pozorny. Obraz ten leży po tej samej stronie, po której znajduje się przedmiot.


• Obrazy w soczewce rozpraszającej są zawsze pozorne, proste i pomniejszone. Wielkość obrazu rośnie, gdy przedmiot zbliżamy do soczewki. Konstrukcję obrazu w takiej soczewce przedstawiono na rysunku:

b) Obraz powstający w zwierciadle wklęsłym może być rzeczywisty lub pozorny, powiększony lub pomniejszony, prosty lub odwrócony. Te cechy obrazu zależą od położenia przedmiotu względem ogniska optycznego zwierciadła.
 
Przykład obrazu rzeczywistego, powiększonego i odwróconego jaki powstaje w zwierciadle sferycznym wklęsłym gdy przedmiot znajduje się przed ogniskiem optycznym (f)
 

 
Przykład obrazu pozornego, powiększonego i prostego jaki powstaje w zwierciadle sferycznym wklęsłym gdy przedmiot znajduje się pomiędzy ogniskiem optycznym (f) a zwierciadłem
 

1.7 Aberracja sferyczna - cecha soczewki, układu optycznego, obiektywu lub zwierciadła sferycznego, polegająca na odmiennych długościach ogniskowania promieni świetlnych ze względu na ich położenie pomiędzy środkiem a brzegiem urządzenia optycznego - im bardziej punkt przejścia światła zbliża się ku brzegowi urządzenia (czyli oddala od jego osi optycznej), tym bardziej uginają się promienie świetlne.

W modelu nieskończenie cienkiej soczewki pomija się jej grubość. W takim wypadku wszystkie padające na nią promienie, niezależnie od ich odległości od osi optycznej, skupiają się w jednym punkcie (w przypadku soczewki rozpraszającej - mają ognisko pozorne w jednym punkcie). Natomiast każda rzeczywista soczewka, której powierzchnie są sferami, ma skończoną grubość, dlatego występuje w niej aberracja sferyczna, zależna od rozmiarów soczewki i materiału, z którego jest wykonana.

Efektem tego rodzaju aberracji jest spadek ostrości obrazu w całym polu widzenia.

Aberracja sferyczna jest jedną z aberracji optycznych.

Aberracja chromatyczna, chromatyzm – cecha soczewki lub układu optycznego, wynikająca z różnych odległości ogniskowania (ze względu na różną wartość współczynnika załamania) dla poszczególnych barw widmowych światła (różnych długości fali światła). W rezultacie występuje rozszczepienie światła, które widoczne jest na granicach kontrastowych obszarów pod postacią kolorowej obwódki (zobacz zdjęcie obok).

Aberracja chromatyczna występuje również w soczewce ludzkiego oka, powodując barwne obwódki (pomarańczowe i niebieskie) wokół ciemnych przedmiotów na jasnym tle. W przypadku układów optycznych (teleskopy, obiektywy fotograficzne etc.) jest to wada pogarszająca jakość odwzorowania.