.jpg/1280px-Through_the_lens_ball_-_a_different_view_(2020-07-31_13.15.20_by_Kaarina_Dillabough).jpg)
Шаровидная линза — оптическая линза в форме сферы . Формально это двояковыпуклая сферическая линза с одинаковым радиусом кривизны с обеих сторон и диаметром, равным удвоенному радиусу кривизны. Для анализа ее характеристик изображения можно применять те же оптические законы , что и для других линз.
В качестве линзы прозрачная сфера из любого материала с показателем преломления ( n ) больше, чем у воздуха ( n > 1,00 ) преломляет параллельные лучи света в фокусную точку . Для большинства стеклообразных материалов фокусная точка находится лишь немного за поверхностью шара, на стороне, противоположной тому, куда вошли лучи. Шаровидные линзы имеют чрезвычайно высокую оптическую аберрацию , включая большое количество комы и кривизны поля по сравнению с обычными линзами.
Шаровидные объективы или « линзболы » используются фотографами для создания новых сверхширокоугольных фотографий.
Первые линзы, вероятно, были сферическими или цилиндрическими стеклянными контейнерами, наполненными водой, которые, как заметили люди, имели способность фокусировать свет. Простые выпуклые линзы имеют поверхности, которые являются небольшими секциями сферы. Шаровидная линза — это просто простая линза, где радиусы кривизны поверхностей равны радиусу самой линзы.
Шаровидная линза преломляет свет на границе между своей поверхностью и окружающей средой. Свет от коллимированного источника изгибается в сходящийся конус. Лучи движутся по прямым линиям внутри линзы, а затем снова изгибаются, когда выходят, сходясь в фокусной точке, которая обычно находится прямо за пределами шара.
Фокусное расстояние сферической линзы является функцией ее показателя преломления и ее диаметра. Эффективное фокусное расстояние (EFL) сферической линзы намного больше заднего фокусного расстояния (BFL), расстояния от задней поверхности линзы до фокальной точки. Шаровидные линзы имеют наименьшее возможное фокусное расстояние для данного диаметра линзы (для сферической линзы). Благодаря оптическому инварианту это позволяет фокусировать свет из коллимированного пучка на меньшие диаметры, чем это можно было бы достичь с помощью других сферических линз. Аналогично, точечный источник света, помещенный в фокальную точку, будет создавать коллимированный пучок, исходящий с противоположной стороны линзы, а большое отношение диаметра к фокусному расстоянию линзы (большая числовая апертура ) позволяет захватывать больше света, чем это было бы возможно с помощью других сферических линз. Это делает сферические линзы особенно подходящими для соединения света от лазера с волоконно-оптическим кабелем или детектором, или с одного волоконно-оптического кабеля на другой, или для микрооптических систем. Кроме того, сферические линзы являются всенаправленными, что облегчает выравнивание оптических соединений по сравнению с другими типами линз, поскольку все, что необходимо, это держать все центрированным. Сферические линзы для оптического соединения обычно небольшие, от 5 миллиметров до таких крошечных, как 110 микрометров, с фокусным расстоянием от 100 до 250 микрометров. Они, как правило, изготавливаются из высококачественного оптического стекла, такого как боросиликатное стекло или кварцевое стекло , или кристаллов, таких как синтетический сапфир с показателем преломления от 1,5 до 1,8. Более высокие показатели дают более короткое фокусное расстояние для данного размера шара. [1]
Шаровидные линзы часто используются в волоконной оптике. Благодаря их коротким фокусным расстояниям и, следовательно, малым диаметрам сужения, которые они создают в лазерном луче, они идеально подходят для фокусировки почти всего света от лазера в сердцевину оптического волокна. Числовые апертуры волокна и линзы должны совпадать. Волокно обычно можно поместить в прямой контакт с шаром, что облегчает выравнивание.
Кроме того, шаровая линза может использоваться на выходной стороне оптоволоконного кабеля для коллимации выхода обратно в луч. Таким образом, две линзы, расположенные спина к спине, могут использоваться для соединения двух кабелей друг с другом. [2]
Шаровидные линзы редко используются для визуализации из-за их высокой оптической аберрации . Однако их очень короткие фокусные расстояния позволяют использовать их для создания очень простых микроскопов . Шаровидная линза диаметром 3 мм может увеличивать изображение в 100–200 раз, в то время как шар диаметром 1 мм будет создавать изображения в 200–350 раз больше их фактического размера. [3] Кроме того, поскольку они являются всенаправленными и имеют большую апертуру для своего фокусного расстояния, шаровидные линзы преобразуют такие изображения в волновые фронты Бесселя , которые имеют уменьшенные эффекты дифракции и могут быть отображены как в дальнем, так и в ближнем поле. [4] В 1677 году Антони ван Левенгук использовал небольшую шаровидную линзу для создания однолинзового микроскопа с 300-кратным увеличением, что позволило впервые наблюдать сперматозоиды . Шаровидные линзы нашли применение во многих приложениях микроизображения, начиная от электронных микроскопов и заканчивая однолинзовыми микроскопами для смартфонов и наномикроскопией. [5]
В отличие от других типов линз, свойства формирования изображения шаровой линзы являются всенаправленными (независимо от направления, в котором формируется изображение). Этот эффект используется в регистраторе Кэмпбелла-Стокса , научном приборе, который регистрирует яркость солнечного света, сжигая поверхность бумажной карты, согнутой вокруг сферы. Устройство, само по себе фиксированное, регистрирует видимое движение и интенсивность солнца по небу, сжигая изображение движения солнца по карте. [ необходима цитата ]
.jpg/1280px-Hanstholm_Fyr_-_The_crystal_ball_(10).jpg)
Шаровидные объективы используются фотографами для создания новых экстремально широкоугольных фотографий. [6] [7] [8] Шаровидный объектив располагается довольно близко к камере, а собственные объективы камеры используются для фокусировки изображения через него. Свет фокусируется в небольшую точку на выходной поверхности шара и достигает своей фокусной точки сразу за поверхностью. Оттуда свет расходится, переворачивая как правую/левую, так и верхнюю/нижнюю оси. Таким образом, если камера находится слишком близко к шаровидному объективу, фон вокруг шара будет полностью размыт. Чем дальше камера находится от шаровидного объектива, тем лучше фон будет в фокусе. [9]
Для материалов с показателем преломления больше 2 объекты на бесконечности формируют изображение внутри сферы. Изображение недоступно напрямую; ближайшая доступная точка находится на поверхности сферы прямо напротив источника света. Большинство прозрачных твердых тел, используемых для изготовления линз, имеют показатель преломления от 1,4 до 1,6; только несколько редких материалов имеют показатель преломления 2 или выше ( кубический цирконий , нитрид бора (c-BN и w-BN), алмаз , муассанит ). Многие из этих немногих 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. [ требуется ссылка ]
Линза Люнеберга — это шаровидная линза с радиально изменяющимся показателем преломления, который следует определенному профилю. Линза Люнеберга имеет фокусы вне линзы и может идеально отображать сферический объект. Линзы Люнеберга, разработанные для радиоволн, используются в некоторых радиолокационных системах и радиоантеннах.