Přeskočit na obsah

Čočka (optika)

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - čočka

Čočka je v optice transparentní optický prvek se dvěma zakřivenými plochami (nebo jednou zakřivenou a jednou rovnou), který využívá lomu světla ke soustředění nebo rozptylování světelných paprsků. Čočky jsou základním stavebním kamenem obrovského množství optických přístrojů, od jednoduché lupy přes brýle a fotoaparáty až po složité mikroskopy a dalekohledy. Princip čočky je založen na skutečnosti, že světlo mění svůj směr při přechodu mezi dvěma prostředími s různým indexem lomu (např. ze vzduchu do skla). Tvar povrchů čočky je navržen tak, aby se všechny procházející paprsky lámaly požadovaným způsobem a vytvářely obraz.

Základní dělení čoček je na spojné čočky (spojky), které rovnoběžné paprsky soustředí do jednoho bodu (ohniska), a rozptylné čočky (rozptylky), které je naopak rozptylují tak, jako by z jednoho bodu vycházely.

📜 Historie

Ačkoliv teoretické základy optiky byly položeny až mnohem později, s jednoduchými čočkami se lidstvo setkávalo již ve starověku.

🏛️ Starověk a středověk

Nejstarším artefaktem, který je považován za čočku, je tzv. Nimrudská čočka z Asýrie, datovaná přibližně do roku 750 př. n. l. Jedná se o vybroušený kus křišťálu, který mohl sloužit jako lupa nebo k soustředění slunečních paprsků k zapálení ohně. Zmínky o zvětšovacích vlastnostech skleněných koulí naplněných vodou se objevují i ve spisech řeckých a římských autorů, jako byl Aristofanés nebo Plinius starší.

Významný pokrok v teoretickém chápání optiky učinil arabský učenec Ibn al-Hajtham (známý jako Alhazen) kolem roku 1000 n. l. Ve svém díle Kniha optiky popsal, jak oční čočka vytváří obraz na sítnici, a studoval lom světla. Ve 13. století se v Itálii objevily první brýle na čtení, které využívaly jednoduché konvexní čočky ke korekci presbyopie (vetchozrakosti).

🔬 Věk objevů (16.–18. století)

Skutečná revoluce ve využití čoček nastala na přelomu 16. a 17. století. V Nizozemsku byl kolem roku 1608 vynalezen dalekohled. Galileo Galilei tento vynález zdokonalil a jako první jej systematicky použil k astronomickým pozorováním, což vedlo k převratným objevům (měsíce Jupiteru, fáze Venuše). Přibližně ve stejné době byl sestrojen i první mikroskop, který otevřel lidstvu zcela nový svět mikroorganismů.

Johannes Kepler v roce 1611 teoreticky popsal funkci čoček a navrhl vylepšený dalekohled (Keplerův dalekohled) využívající dvou spojných čoček. Isaac Newton studoval barevnou vadu čoček a jako řešení navrhl a sestrojil zrcadlový dalekohled (reflektor), který čočku v objektivu nahradil zrcadlem. V 18. století se podařilo barevnou vadu částečně korigovat vynálezem achromatické čočky, která kombinuje dva druhy skla s různým indexem lomu.

🏭 Moderní doba

V 19. století došlo k masivnímu rozvoji technologie výroby skla a broušení čoček, což umožnilo produkci kvalitnějších a větších optických prvků. Augustin-Jean Fresnel vyvinul pro majáky tzv. Fresnelovu čočku, která umožnila vytvořit velkou a výkonnou čočku s výrazně nižší hmotností a tloušťkou. Rozvoj fotografie si vyžádal konstrukci stále složitějších objektivů, které korigovaly různé optické vady. Ve 20. století se vedle skla začaly masivně uplatňovat i plasty a byly vyvinuty antireflexní vrstvy, které výrazně zlepšily propustnost světla a kvalitu obrazu.

⚙️ Princip funkce

Funkce čočky je založena na lomu světla, který popisuje Snellův zákon. Když světelný paprsek přechází z jednoho optického prostředí (např. vzduch) do druhého, hustšího (např. sklo), láme se směrem ke kolmici. Při výstupu ze skla do vzduchu se naopak láme od kolmice.

U spojné čočky (konvexní) jsou plochy vypouklé. Paprsky, které dopadají na čočku dále od jejího středu (optické osy), dopadají na povrch pod větším úhlem a jsou lámány více. Paprsky dopadající blízko středu jsou lámány méně. Tvar čočky je navržen tak, aby se všechny rovnoběžné paprsky po průchodu čočkou setkaly v jediném bodě – ohnisku (F). Vzdálenost od středu čočky k ohnisku se nazývá ohnisková vzdálenost (f).

U rozptylné čočky (konkávní) jsou plochy naopak dovnitř prohnuté. Rovnoběžné paprsky se po průchodu čočkou rozbíhají (divergují). Pokud bychom tyto rozbíhavé paprsky prodloužili zpětně proti směru jejich šíření, protnou se v jednom bodě před čočkou. Tento bod se nazývá zdánlivé (virtuální) ohnisko a ohnisková vzdálenost rozptylek se proto udává se záporným znaménkem.

📐 Dělení čoček

Čočky lze dělit podle několika kritérií.

Podle tvaru

Základní dělení je na spojky a rozptylky, které se dále dělí podle zakřivení svých povrchů:

  • Spojné čočky (spojky) – uprostřed jsou tlustší než na okrajích.
    • Dvojvypuklá (bikonvexní): Oba povrchy jsou vypouklé.
    • Ploskovypuklá (plankonvexní): Jeden povrch je rovinný, druhý vypouklý.
    • Dutovypuklá (konkávně-konvexní): Jeden povrch je dutý, druhý vypouklý, přičemž vypouklý má větší zakřivení. Funguje jako spojka.
  • Rozptylné čočky (rozptylky) – uprostřed jsou tenčí než na okrajích.
    • Dvojdutá (bikonkávní): Oba povrchy jsou duté.
    • Ploskodutá (plankonkávní): Jeden povrch je rovinný, druhý dutý.
    • Vypuklodutá (konvexně-konkávní): Jeden povrch je vypouklý, druhý dutý, přičemž dutý má větší zakřivení. Funguje jako rozptylka.

Podle materiálu

  • Skleněné čočky: Nejběžnější, vyrábějí se z různých druhů optického skla (např. korunové, flintové). Vyznačují se vysokou optickou kvalitou a odolností proti poškrábání.
  • Plastové čočky: Lehčí a odolnější proti rozbití než skleněné. Používají se hlavně v brýlové optice (materiály jako CR-39 nebo polykarbonát). Jsou náchylnější k poškrábání.
  • Krystalové čočky: Vyrábějí se z materiálů jako křemen, fluorit nebo safír. Používají se ve specifických aplikacích, například pro ultrafialové nebo infračervené světlo, kde je běžné sklo nepropustné.

Podle korekce vad

  • Sférické čočky: Mají povrch ve tvaru kulové plochy. Jsou nejjednodušší na výrobu, ale trpí sférickou aberací.
  • Asférické čočky: Alespoň jeden povrch nemá kulový tvar. Používají se ke korekci sférické aberace a dalších vad, umožňují konstrukci kvalitnějších a kompaktnějších objektivů.
  • Achromatické čočky: Jsou složeny ze dvou čoček z různých druhů skla (např. spojky z korunového a rozptylky z flintového skla). Tímto spojením se potlačuje chromatická (barevná) vada.
  • Apochromatické čočky: Ještě dokonalejší korekce barevné vady, obvykle složené ze tří a více čoček, často s použitím speciálních skel nebo fluoritu.

🔢 Základní parametry a rovnice

  • Ohnisková vzdálenost (f): Klíčový parametr čočky. Udává vzdálenost ohniska od optického středu čočky.
  • Optická mohutnost (φ): Převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti (φ = 1/f). Její jednotkou je dioptrie (D). Spojky mají kladnou optickou mohutnost, rozptylky zápornou.
  • Zobrazovací rovnice tenké čočky: Dává do vztahu předmětovou vzdálenost (a), obrazovou vzdálenost (a') a ohniskovou vzdálenost (f):
1a+1a′=1f
  • Příčné zvětšení (Z): Udává poměr výšky obrazu (y') k výšce předmětu (y). Lze jej také vypočítat z obrazové a předmětové vzdálenosti:
Z=y′y=−a′a

⚠️ Optické vady (aberace)

Ideální čočka by zobrazila bod jako dokonalý bod. Reálné čočky však trpí řadou nedokonalostí, které zhoršují kvalitu obrazu.

  • Chromatická aberace (barevná vada): Vzniká proto, že index lomu materiálu čočky závisí na vlnové délce světla (disperze světla). Fialové světlo se láme více než červené, takže pro každou barvu vzniká ohnisko v trochu jiné vzdálenosti. Projevuje se jako barevné lemování na hranách objektů.
  • Sférická aberace (otvorová vada): Paprsky procházející okrajem sférické čočky se lámou více a protnou optickou osu blíže k čočce než paprsky procházející jejím středem. Místo ostrého bodu vzniká rozmazaná ploška.
  • Koma: Vada podobná sférické aberaci, ale projevuje se u paprsků dopadajících na čočku šikmo. Obraz bodu mimo osu se zobrazí jako asymetrická skvrna připomínající kometu.
  • Astigmatismus: Vzniká při šikmém dopadu paprsků. Paprsky ležící ve dvou na sebe kolmých rovinách se za čočkou zaostří v různých vzdálenostech. Obraz bodu je roztažen do dvou na sebe kolmých úseček.
  • Zklenutí pole: Způsobuje, že rovinný předmět kolmý na optickou osu se zobrazí na zakřivené ploše, nikoli v rovině.
  • Zkreslení (distorze): Nemá vliv na ostrost obrazu, ale mění jeho geometrický tvar.
    • Soudkovité zkreslení: Přímky na okraji obrazu se zobrazí jako prohnuté ven.
    • Poduškovité zkreslení: Přímky na okraji obrazu se zobrazí jako prohnuté dovnitř.

Moderní objektivy jsou složité soustavy mnoha čoček (někdy i více než 15), kde se kombinují různé tvary a materiály tak, aby se tyto vady navzájem co nejvíce eliminovaly.

🛠️ Využití

Čočky jsou nezbytnou součástí mnoha zařízení v vědě, technice, medicíně i každodenním životě.

🔬 Pro laiky

Představte si čočku jako velmi chytře tvarovaný kus skla nebo plastu, který umí ohýbat světlo.

  • Spojka (lupa): Je to ta čočka, která je uprostřed tlustá a na okrajích tenká. Když na ni posvítíte rovnoběžnými paprsky (třeba od Slunce), ohne je tak, že se všechny sejdou v jednom bodě za čočkou. Tomuto bodu se říká ohnisko. Proto můžete lupou zapálit papír – soustředíte do jednoho místa spoustu sluneční energie. Spojky se používají v brýlích na čtení, v dalekohledech a fotoaparátech. Vytvářejí zvětšený obraz.
  • Rozptylka (kukátko ve dveřích): Tato čočka je naopak uprostřed tenká a na okrajích tlustá. Když na ni dopadnou rovnoběžné paprsky, ohne je směrem od sebe, jako by je "rozprášila". Nikdy se za čočkou nesetkají. Rozptylky se používají v brýlích pro lidi, kteří špatně vidí do dálky (krátkozrakost), nebo právě v kukátkách, kde umožňují vidět široký úhel prostoru za dveřmi. Vytvářejí zmenšený obraz.

V podstatě každé zařízení, které nějak pracuje s obrazem – od vašeho oka přes mobilní telefon až po obří teleskopy – používá čočky k tomu, aby správně "zkrotilo" světelné paprsky a vytvořilo ostrý a jasný obraz tam, kde je potřeba.


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Čočka_(optika)&oldid=14573“