Soczewka jest najprostszym urządzeniem optycznym. Jest zrobiona z przezroczystego materiału (szkło, tworzywa sztuczne, żele, a nawet z wody). Jednak, aby taka właśnie bryła mogła być soczewką jej powierzchnie ograniczające (zamykające materiał, z którego jest wykonana w całość) muszą być "koliste" - (mają kształt wycinka sfery, walca lub innej bryły obrotowej powstałej z obrotu paraboli, hiperboli), albo też jedna z powierzchni może być płaska. Soczewki o dwóch powierzchniach "kolistych" nazywamy dwustronnie wypukłymi - soczewki te mają taką własność skupiania promieniowania, np. światła. Natomiast soczewki mające powierzchnie o kształcie wklęsłym, nazywamy dwustronnie wklęsłymi. Gdy jedna z powierzchni ograniczających soczewkę jest wklęsła, a druga wypukła, to otrzymujemy soczewkę wklęsło - wypukłą.

Co to znaczy, że soczewka ma własności skupiające np. światło? Oznacza to, ze gdy do soczewki docierają równoległe promienie światła, to po przejściu przez nią wszystkie te promienie (nazywane wiązką promieni) "spotkają" się w jednym punkcie - nazywanym ogniskiem soczewki ( lub punktem skupienia). Soczewka zmienia bieg promieni i nie są one już do siebie równoległe, ale przecinają się w ognisku soczewki. Położenie tego punktu zależy od promieni krzywizny obu powierzchni ograniczających soczewkę, a także materiału, z którego soczewka jest wykonana i otoczenia, w którym się znajduje. Z kolei odległość ogniska soczewki od środka optycznego soczewki nazywamy ogniskową. Im powierzchnie soczewki są bardziej spłaszczone, tym dłuższa jest ogniskowa tej soczewki, czyli ognisko znajduje się dalej od soczewki. Oś symetrii soczewki, nosi nazwę jej główną osią. A co nazywamy zdolnością skupiającą soczewki? Wielkość ta, to odwrotność wartości ogniskowej z=1/f. Jej jednostką są dioptrie [z=1/f] = 1D = 1/1m.

Soczewki obustronnie wklęsłe i płasko - wklęsłe w powietrzu rozpraszają wiązki promieni, które przez nie przechodzą (ważny jest tutaj fakt, ze gęstość materiału soczewki jest większa od gęstości otoczenia, gdyż np. soczewka, która jest skupiająca w powietrzu może okazać się rozpraszającą w wodzie). Czyli do soczewki docierają równoległe względem siebie promienie, ale po przejściu przez nią rozchodzą się one na boki - rozpraszają. Ogniskowa i zdolność skupiająca tych soczewek oraz promienie krzywizn ich powierzchni wyrażane są zawsze wartościami ujemnymi. Gdyż ognisko tych soczewek znajduje się po tej samej stronie soczewki, z której padają na nią promienie. Ognisko nazywamy pozornym, bo powstaje na przecięciu przedłużeń promieni rozproszonych.

Jak już mówiliśmy położenie ogniska zależy od promieni krzywizy obu powierzchni ograniczających soczewkę, a także materiału, z którego soczewka jest wykonana i otoczenia, w którym się znajduje. Stąd zależność od tych czynników jest widoczna również we wzorze na zdolność skupiającą soczewki - nazywanym równaniem soczewki:

1/f=[(n/no)-1][(1/r1+1/r2]

n - współczynnik załamania materiału z którego jest wykonana soczewka

no - współczynnik załamani ośrodka, w którym umieszczona jest soczewka

r1 i r2 - promienie krzywizny soczewki

Dla soczewki symetrycznej, czyli takiej, której promienie obu krzywizn powierzchni są sobie równe: r1 = r2 = r, równanie to wygląda następująco: 1/f = [(n/ no)-1][(2/r].

Soczewki są ciekawym i bardzo przydatnym narzędziem do powiększania lub pomniejszania obrazu danego przedmiotu. Jednak ułożenie i wielkość obrazu przedmiotu zależy od rodzaju soczewki oraz od odległości od soczewki, w której umieścimy przedmiot. Musimy jednak pamiętać, że jeżeli obraz powstaje po tej samej stronie soczewki, po której znajduje się przedmiot, to nazywamy go pozornym - podobnie jak w przypadku ogniska soczewki rozpraszającej. Wtedy też odległość obrazu od soczewki, którą oznaczamy y, zapisujemy ze znakiem "-". Natomiast wysokość samego przedmiotu oznaczamy przez x. Z takimi symbolami możemy prostszym wzorem, zapisać znane nam już równanie soczewki:

1/f = 1/x + 1/y,

gdzie: x - wysokość przedmiotu, y - wysokość obrazu, z = 1/f - zdolność skupiająca.

Istotny jest też wzór na powiększenie, które daje soczewka: p = |y|/x. W ten sposób otrzymujemy liczbę, która wyraża ile razy obraz jest większy/mniejszy od przedmiotu.

Cechy obrazu otrzymanego za pomocą soczewki skupiającej:

Położenie przedmiotu:

Cechy obrazu:

Odległość obrazu:

0

  • pozorny; utworzony przez przecięcie przedłużeń promieni świetlnych
  • prosty, czyli nie odwrócony
  • powiększony; p>1

y<0

x=f

  • obraz nie powstał.
  • Promienie po przejściu przez soczewkę ułożyły się równoległe względem siebie, dlatego nie jest możliwe ich przecięcie, ani też przecięcie ich przedłużeń.

obraz nie powstaje

f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • powiększony; p>1

y>2f

x=2f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • nie powiększone - rzeczywistych rozmiarów; p=1

y=2f

x>2f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • pomniejszony; p<1

f

Cechy obrazu otrzymanego za pomocą soczewki rozpraszającej:

  • obraz jest zawsze pomniejszony - mniej lub bardziej w zależności od odległości przedmiotu od soczewki
  • zawsze pozorny
  • zawsze prosty, czyli nieodwrócony
  • odległość obrazu od soczewki zawsze w odległości: -f < y < 0.

Najważniejsza dla człowieka soczewka, to po prostu jego oko - jest ono soczewką dwustronnie wypukłą, a więc skupiającą światło. Na siatkówce oka powstaje obraz rzeczywisty, zmniejszony i odwrócony. My jednak widzimy go "normalnie" - wszystko dzięki temu, że obraz z siatkówki poprzez nerw wzrokowy trafia do mózgu i tam zostaje odpowiednio przetworzony. Akomodacja oka - czyli przystosowywanie się do zmiennych warunków otoczenia jest możliwa , gdyż soczewka oka ma zmienną ogniskową. Jakość naszego widzenia zależy od zdrowotnego stanu oka, właściwej jego budowy oraz od odległości w jakiej znajduje się przedmiot. Dla każdego oka istnieje najbardziej "odpowiadająca" mu odległość od przedmiotu - tzw. odległość dobrego widzenia. Przeciętnie wynosi ona 24-25 cm. Do korygowania wad wzroku używamy okularów lub szkieł kontaktowych. Dla układu soczewek np. oko i okulary ogniskowa spełnia równanie: 1/fu=1/f1+1/f2, gdzie fu - ogniskowa układu, f1-ogniskowa oka, f2 - ogniskowa okularu.

Inne zastosowanie soczewek:

  • lupy,
  • lornetki, okulary lecznicze,
  • szkła kontaktowe,
  • aparaty fotograficzne
  • kamery
  • mikroskopy
  • optyczne urządzenia astronomiczne, itp.