Реферат: Оптические технологии. Реферат по физике на тему линзы
Линза | Рефераты KM.RU
Изобретение линз уходит в глубь тысячелетий. Археологи находят их в довольно неожиданных местах, вроде стоянок доисторического человека. Это естественные линзы из грубо обломанных кусочков горного хрусталя и берилла, которые, по-видимому, применяли для добывания огня с помощью солнечных лучей. Много таких линз было обнаружено при раскопках в Египте, Греции, Месопотамии, Италии.
В развалинах Кносского дворца на Крите была найдена небольшая плоско выпуклая линза из горного хрусталя с фокусным расстоянием около 140 мм, датируемая 1200–1600 г. до н.э. (музей в г. Кандия на Крите). Историки, ссылаясь на рукописи древних писателей, предполагают, что подобными линзами пользовались и римляне. Во всяком случае, известно, что император Нерон пользовался сапфировой солнцезащитной линзой, вставленной в оправу. Первые же изображения таких линз можно увидеть на старинных китайских гравюрах, датированных VII—IX веками.
Очень интересная находка была сделана А. Лейардом при раскопках дворца Саргона в Ниневии. Он обнаружил линзу из горного хрусталя, датируемую 725 г. до н.э. Линза плосковыпуклая, овальной формы (один из диаметров – 4.2 см, другой 3.5 см) толщина линзы – 0.5 см, фокусное расстояние – 10.7 см. Эта линза была исследована в поляризованном свете английским физиком Дейвидом Брюстером. По его мнению, плоская сторона линзы является одной из природных (естественны) плоскостей кристалла, форма же выпуклой его поверхности была получена путем обработки с применением инструмента. Таким образом, Брюстер пришел к заключению, что это подлинная оптическая линза. Аналогичный вывод сделан и рядом других ученых. Однако в дальнейшем исследования привели к предположению о декоративном назначении линз.
При раскопках Г.Шлиманом Трои в 1890 году были обнаружены 6 линз из горного хрусталя. Кроме того, 41 небольшая линза из горного хрусталя такой же формы диаметром от 25 до 30 мм – это уже напоминает массовое производство очков для троянцев. Все линзы датируются приблизительно 2500 г. до н.э.
На шведском острове Готланд в кладе, зарытом около тысячи лет назад викингами, найдены линзы сложной асферичной формы из горного хрусталя. На острове нет месторождения этого минерала, поэтому предполагают, что викинги привезли их из своих плаваний. Подобная форма линз была теоретически рассчитана лишь в 17 веке Рене Декартом. В своей работе он указал, что эти линзы будут давать отличное изображение, но еще долго ни один оптик не мог их изготовить. Остается загадкой, кто и для каких целей мог их отшлифовать тысячу лет назад. Следует заметить, что тысяча лет – возраст клада, а возраст линз может оказаться большим. Месторождение горного хрусталя, из которого они изготовлены, определить не сложно по химическому составу вещества. Быть может, прозрачный кварц окажется из рудников Бразилии, ведь для высокоразвитых цивилизаций Центральной и Южной Америки, которые процветали здесь тысячу лет назад, минерал был основным сырьем для изготовления оружия и предметов искусства.
Процесс изготовления линз в больших количествах связан с изобретением очков и астрономических приборов.
Очки были изобретены, по-видимому, в Италии конце XIII в и при их изготовления использовалось венецианское стекло. Начиная с 1300 года, в уставах гильдии венецианских стекольщиков часто упоминаются зрительные линзы и рекомендуется уничтожать подделки хрусталя из бесцветного стекла, что свидетельствует о быстром вхождении очков в моду в Венеции.
Изобретение книгопечатанияв в середине XV в. вызвало повышенный спрос на очки. Очковые мастера появляются во всех крупных городах Европы. Техника шлифовки стекла все более совершенствуется. Входят в употребление специальные приспособления для шлифовки линз: бронзовые, железные, медные и латунные формы - "грибы" и "чашки" различных радиусов кривизны.
В XVII в. шлифовкой и полировкой линз занимались ученые самых различных специальностей. Для этих целей ими создавались станки, разрабатывались отдельные вопросы прикладной оптики.
Ученый мир Европы был потрясен астрономическими открытиями Галилея, сделанными им в 1609-1610 гг. при помощи телескопа. Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она еще никогда не достигала. Это позволило ему изготовить зрительную трубу тридцатикратного увеличения, в то время как зрительные трубы простых ремесленников-оптиков увеличивали всего в три раза.
После изобретения телескопа и микроскопа описаниям шлифовальных станков уделяли немало места в своих произведениях выдающиеся ученые XVII в. И. Гевелий, X. Гюйгенс, Р. Декарт, И. Ньютон и др. и в более позднее время - Л. Эйлер, М.В. Ломоносов, уделяли большое внимание шлифовке и полировке линз и зеркал. Именно практические запросы заставили их заниматься этим. Так, благодаря повышению качества изготовления линз, а главное, благодаря тому, что ученые наконец осознали необходимость улучшения качества обработки линз, оптика в XVII в. превратилась из "чистой" науки в науку, имеющую огромное практическое значение. Оптические приборы (телескопы, зрительные трубы, а затем и микроскопы) становятся постепенно основными инструментами в руках ученых.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://theorphysics.info/
Дата добавления: 25.03.2012
www.km.ru
Доклад - Изучение тонких линз и сферических зеркал
Лабораторная работа
Изучение тонких линз и сферических зеркал
Введение
Цель работы: изучение методов определения фокусных расстояний линз и зеркал; наблюдение и оценка их аберраций
Широкое применение линз и сферических зеркал объясняется их свойством, при определенных условиях, превращать расходящиеся гомоцентрические пучки лучей в гомоцентрические сходящиеся пучки, т.е. давать изображения предмета, подобные объекту. Собирающие (рассеивающие) свойства линз и зеркал количественно описываются формулой зеркала и формулой линзы, которые легко получить из формулы преломляющей поверхности (1):
/>(1)
Здесь а1 – расстояние от источника света L до вершины S сферической поверхности радиусом R, разделяющей две среды с показателями преломления n1 и n2 (рис.1), а2 – расстояние от вершины до изображения источника света L¢.
/>n1A n2
i
r
L S jC L¢
a1a2
R
Рис.1
Видно, что положение изображения L¢, т.е. а2 – однозначно определяется через а1, n1, n2, R, т.е. точка изображается точкой. При выводе этой формулы принято следующее правило знаков: все расстояния отсчитываются от вершины поверхности S и считаются положительными по ходу луча. Если источник L расположен далеко от поверхности, т.е. а1 = ¥, лучи падают на сферическую поверхность параллельным пучкам, то
/>
т.е. бесконечно удаленная точка изображается на постоянном расстоянии f2. Эта точка F2 называется задним фокусом преломляющей поверхности.
Если а2 = ¥,
то />
F1 — передний фокус, т.е. если светящаяся точка находится в переднем фокусе (слева на расстоянии f1 от вершины), то сопряженная ей точка – на бесконечности.
Формула сферического зеркала. Закон преломления легко превратить в закон отражения, если положить формально n2 = — n1. В этом случае формула преломляющейся поверхности (1) превращается в формулу сферического зеркала (рис.2).
/>
Y Y
C F Y' F C
Y'
Рис. 2
/>(2)
Видно, что передний и задний фокусы зеркала совпадают, а фокусное расстояние равно половине радиуса. Если обозначить />, то формула сферического зеркала будет иметь вид:
/>.
Для вогнутого зеркала f > 0, для выпуклого f < 0 (фокус мнимый).
Формула тонкой линзы. Линза – тело из прозрачного хорошо преломляющего материала, ограниченное двумя центрированными сферическими поверхностями. Ниже будем рассматривать линзу с показателем преломления n, находящуюся в среде с показателем преломления n1.
При выводе формулы линзы можно воспользоваться общим приемом, применив формулу (1) преломляющей поверхности поочередно к левой, а затем к правой границам раздела сред, имея в виду, что изображение, даваемое первой границей, можно рассматривать как источник для второй (рис.3). Наиболее просто эта задача решается для тонкой линзы, когда вершины S1 и S2 обеих поверхностей можно считать совпадающими друг с другом в точке S – оптическом центре линзы, от которого в тонких линзах отсчитываются все расстояния (а1, а2, а, R1, R2). Нетрудно видеть, что, записав уравнение (1) для границ раздела (n1, n; R1) и (n, n1; R2), сложив их, получим формулу линзы:
/>(3)
/>норм.
n1
L C2S1S S2C1L¢L2
R2R1
a1a2
a
Рис. 3
где /> — относительный показатель преломления среды и материала линзы.
Подобно тому, как это сделано для преломляющей поверхности, получим фокусные расстояния для линзы
/>(4)
т.е. фокусы тонкой линзы лежат симметрично по обе стороны от нее, если слева и справа от линзы среда одна и та же. Пользуясь соотношением (4) формулу линзы (3) можно записать в виде (2). Фокусное расстояние линзы f, или величина ему обратная />, называемая оптической силой, являются главными величинами, характеризующими линзу. Формула (3) показывает, что тонкая линза, как и преломляющая, дает стигматическое изображение, т.е. является системой идеальной.
До сих пор речь шла об изображении точки, взятой на главной оси (оптической). Изображение ее тоже лежит на главной оптической оси. Поэтому и фокусы F1 и F2 называются главными фокусами. В отличие от главных фокусов иногда говорят о побочных фокусах, когда источник и его изображение лежат на побочной оси (побочная ось – любая прямая, проходящая через оптический центр). В теории тонких линз считается, что побочные фокусы расположены в плоскостях, проходящих через главные фокусы перпендикулярно главной оптической оси.
Построение изображений. Увеличение. Установленные выше понятия главной и побочной оптических осей, главных и побочных фокусов позволяют просто находить изображения в сферических зеркалах и тонких линзах. Рассмотрим пример (рис. 4):
/>Л
А
Y
B F S F B¢
Y¢
Рис. 4
Задана линза, т.е. ее оптический центр S и фокусы. Для построения изображения точки А нужно взять расходящийся из этой точки пучок лучей. Возьмем его так, что один из лучей пойдет параллельно главной оптической оси, за линзой он пойдет через задний фокус. Другим лучом может быть луч, идущий через передний фокус, а за линзой делающийся параллельным главной оптической оси. Пересечение двух лучей в точке А¢ и будет изображением точки А. Вместо одного из этих лучей можно взять также побочную ось АSА¢. Так как изображение подобно предмету, то изображение точки В будет на главной оптической оси в плоскости, проходящей через А¢.
На практике является важным понятие поперечного увеличения V^, т.е. отношения величины изображения Y¢ к величине предмета Y. Из рисунка 4 видно, что
--PAGE_BREAK--/>(5)
Напомним, что при выводе формулы тонкой линзы предполагалось, что светящаяся точка испускает узкий приосевой пучок лучей (параксиальный, близкий к главной оптической оси) и что показатель преломления вещества линзы n постоянен. В этих предположениях тонкая линза описывается формулой (3), из которой следует однозначная зависимость а2(а1), т.е. стигматичность изображения; изображения предметов получаются геометрически подобными предмету. Однако, вышеуказанные допущения практически осуществить не удается хотя бы потому, что узкие параксиальные пучки несут мало света, светящиеся точки могут и не лежать вблизи главной оптической оси (а для объектов конечных размеров так будет всегда), вещество призмы обладает дисперсией, предметы имеют протяженность вдоль оптической оси. Все это приводит к астигматичности изображений в тонкой линзе: светящаяся точка изображается не точкой, а кружком рассеяния; поперечное увеличение также не остается постоянным — в целом изображение светящихся предметов получается геометрически не подобным предмету, а в белом свете еще и крашенным. Говорят, что линзы обладают аберрациями (погрешностями). Различают много видов аберраций, которые всегда, в общем, ухудшают качество изображений. Задачей практической оптики, с момента изобретения первых оптических инструментов (телескопа и микроскопа) является построение безаберрационных оптических систем. Комбинациями линз с различными оптическими свойствами и использованием диафрагм удается построить практически идеальные оптические системы.
Познакомимся с основными видами аберраций.
а) Сферическая аберрация – нарушает правильность изображения точек предмета, лежащих на оптической оси, при пользовании широким пучком лучей, т.е. при большом угле раскрытия линзы. Для исследования сферической аберрации можно взять удаленную точку S на оптической оси, т.е. рассмотреть параллельный (но широкий) пучок лучей, падающих на собирающую линзу (рис.5а).
/>2 2¢
1 1¢
1¢ S2S1 1
2¢ 2
Рис. 5а.
Чтобы понять происхождение этого вида аберрации достаточно мысленно разделить линзу на призмочки сечениями перпендикулярными плоскости чертежа. Видно, что преломляющие углы призм будут увеличиваться от центра к переферии, а так как угловое смещение луча при прохождении через призму возрастает с увеличением ее преломляющего угла, то ясно, что приосевые лучи 11¢ пересекутся в точке S1, по определению называемой фокусом линзы, а лучи 22¢ удаленные от оси, попадая на призмы с большим преломляющим углом, сместятся и пересекут ось в точке S2. Изображение точки растягивается вдоль оси на расстояние
/>
Пользуясь известным правилом знаков, считают аберрацию собирающих линз отрицательной (точка схождения удаленных от оси лучей находится между фокусом и линзой). Аналогично можно видеть, что рассеивающие линзы (рис.5, б) дают положительную сферическую аберрацию
/>
Отсюда следует, что комбинацией собирающих и рассеивающих линз можно ликвидировать этот вид аберрации.
/>
S1 S2
Рис. 5, б.
б) Астигматизм наклонных пучков. Даже узкие пучки лучей, но исходящие из точек, удаленных от оптической оси, не собираются в точку – наблюдается астигматизм наклонных пучков (рис.6).
/>ls
lm
L
Рис. 6
До преломления лучи исходят из точки L радиально, а волновые поверхности строго сферические. За линзой волновые поверхности деформируются (разные лучи пучка идут в линзе не симметрично), становятся поверхностями двоякой кривизны. Такая поверхность будет сходиться с различной скоростью во взаимно перпендикулярных направлениях и нигде за линзой не сойдется в точку. На некотором расстоянии от линзы она сойдется в узкую горизонтальную полоску lm, а далее в вертикальную полоску ls. Вообще же узкий наклонный пучок изобразится кружком рассеяния. Количественно аберрация астигматизма характеризуется астигматической разностью d, т.е. расстоянием между изображениями lm и ls.
в) Дисторсия. Это искажение изображения вызвано неодинаковостью поперечного увеличения в пределах поля зрения, оно приводит к искривлению линий в плоскости изображения (рис. 7)
/>
/>
а б в
Рис. 7
Так, например, квадрат «а» изобразится в виде «подушки» «б», если поперечное увеличение растет с увеличением расстояния от оси системы, и в виде «бочки» «в», если увеличение уменьшается с удалением от оси.
г) Хроматическая аберрация является следствием дисперсии вещества линзы. Собирающие свойства линзы, т.е. ее фокусное расстояние, зависят от показателя преломления N по известному закону (4)
/>.
Стекла обладают заметной дисперсией n = n(l) и обычно показатель преломления фиолетовых лучей значительно больше показателя для красных лучей. Поэтому фиолетовые лучи, даже в линзе с исправленной сферической аберрацией, соберутся за линзой ближе, чем красные (рис.8)
/>
FфFк
Рис. 8
Изображение светящейся точки, испускающей белый свет, будет в виде окрашенного кружка рассеяния. Мерой хроматической аберрации является величина />.
Экспериментальная часть
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, линзы, экран, диафрагма, зеркало, предмет (стекло с сеткой), электрические лампочки на 220 В и на 6 В.
Задание 1. Определение фокусного расстояния собирающей линзы.
Фокусное расстояние собирающей линзы, f > 0, можно определить непосредственно из формулы
/>
если известны расстояния а1 и а2. Тогда
/>(6)
Если к тому же неизвестны размеры предмета Y и его изображения Y¢, то из (5) и (6) получим
/>(7)
а) На оптической скамье собрать схему (слева на право): осветитель (лампа на 220В), предмет, линза, экран с миллиметровой бумагой.
б) Получив на экране изображение предмета, найти величины а1, а2, Y, Y¢ и записать в таблицу 1.
в) Рассчитать значение f.
Таблица 1
№
опыта
а1
а2
/>
Y
Y¢
/>
г) Повторить измерения для уменьшенного изображения.
д) Оценить погрешность измерений.
Задание 2. Определение фокусного расстояния вогнутого сферического зеркала
а) Так как формула зеркала и формула линзы тождественны, то можно определить фокусное расстояние вогнутого зеркала аналогично предыдущему способу.
Задание 3. Изучение основных погрешностей формирования изображений линз
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, источники света (лампочки накаливания на 8 В), исследуемая (плосковыпуклая) и колиматорная линзы, набор кольцевых диафрагм с диаметрами D1 = 22мм, D2 = 70мм, D3 = 85мм, экран, предметы в виде сеток и креста, светофильтры.
продолжение --PAGE_BREAK--а) Сферическая аберрация.
На оптической скамье собрать установку, состоящую из источника света (лампочка 8В), предмета (сетка), диафрагмы, исследуемой линза и экрана.
Поместить в держатель первую диафрагму с D1 = 22мм и добиться резкого изображения предмета на экране. Отметить расстояние а1 от предмета до линзы и от линзы до экрана а2. Данные записать в таблицу 2.
Таблица 2
Диаметр диафрагмы
а1
а2
/>
Не меняя расстояние а1 повторить измерения с диафрагмами больших диаметров.
Найти величину продольной сферической аберрации />для данного расстояния предмета до линзы (i = 2, 3, 4, … — означает номер диафрагмы).
Построить график зависимости d от диаметров кольцевых зон, d(D).
б) Хроматическая аберрация
Собрать установку, состоящую из источника света (лампочка 8В), светофильтров, круглых диафрагм, исследуемой плосковыпуклой линзы, обращенной к диафрагме плоской стороной, экрана.
Получить на экране резкое изображение нити лампочки при самом малом отверстии диафрагмы.
Отметить положение экрана а2 на оптической скамье.
Повторить измерения пунктов 2 и 3 для разных светофильтров на держателе б. Данные занести в таблицу 3.
Таблица 3
Светофильтр
Положение экрана, а2
d
Красный
Зеленый
Голубой
Фиолетовый
Проанализировать результаты эксперимента, сделать вывод
в) Астигматизм.
Собрать установку, состоящую из источника света (лампочка 8В), коллиматорной линзы (F = 12 см), предмета в виде креста, исследуемой линзы и экрана.
Получить на экране резкое изображение креста.
Повернуть линзу вокруг вертикальной оси на угол 300 — 450. Перемещая экран, добиться резкого изображения сначала горизонтальной, а затем вертикальной линии креста. Отметить оба положения экрана а2 (гор.) и а2 (верт.).
Найти астигматическую разность
d = а2(гор.) – а2(верт.).
г) Дисторсия
На оптической скамье последовательно расположить: источник света (лампочка 8В), предмет в виде мелкой сетки, исследуемую линзу (повернуть к предмету плоской стороной) и экран.
Передвижением линзы и экрана получить четкое подушкообразное изображение сетки. ЗАРИСОВАТЬ.
Взять в качестве предмета ту же сетку.
Поменять местами предмет и линзу.
Передвижением линзы и экрана получить четкое бочкообразное изображение предмета. ЗАРИСОВАТЬ.
Список рекомендуемой литературы
Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.
Физический практикум. Электричество и оптика /под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука. 1968.
Сорокина А.А., Ледяева Г.А., Шевелкина Л.Д. Практикум по оптике и физике атома. Иваново.1974.
www.ronl.ru
Реферат - Оптические технологии - Физика
Технология изготовления оптических деталей имеет давнюю историю. Простейшие оптические детали в виде линз (украшения, пуговицы и даже «зажигательные» лупы) были известны ещё в глубокой древности. Вначале они изготавливались из естественных кристаллов-минералов (горный хрусталь, тёмно-зелёный турмалин и тёмно-синий топаз), а затем и из силикатного стекла, процесс получения которого из кварцевого песка был открыт 3–4 тысячи лет назад. Стекло это было малопрозрачным с большим количеством дефектов. В качестве инструментов для обработки в то время применяли самые простые орудия – естественные камни, имеющие подходящие плоскую, вогнутую или выпуклую формы. При шлифовании пользовались песком различной крупности.
Изобретение очковых линз относят к концу 8 века. В это время в северных областях Италии был открыт секрет получения прозрачного стекла. В 1280 году слава о венецианских зеркалах распространилась по всем близлежащим странам. Этот год можно считать годом изобретения очков.
В 1300 году Венецианский государственный совет издал постановление, запрещающее использовать для изготовления очков стекло плохого сорта.
Научными предшественниками изобретения очковых линз были египетский учёный Ибн Аль Хайсама (965–1039), впервые изучивший оптику глаза и познавший увеличительное действие шарового сегмента, и английский учёный Роджер Бэкон (1214–1294). Вначале для чтения пользовались одной линзой, которая была либо плосковыпуклой, либо двояковыпуклой, т.е. положительной и предназначалась для коррекции дальнозоркости. Только через 150 лет после изобретения положительных очковых линз появились отрицательные линзы (имеющие вогнутые поверхности), предназначенные для коррекции близорукости. Оправа служила для предохранения стекла от скалывания и изготовлялась из дерева. Затем был сделан первый шаг по созданию прототипов современных очковых оправ: ручки оправ соединили заклёпкой, а позднее штифтом, что обеспечивало возможность закрепления очков на носу. Идея привязать верёвочку за ободки оправы и закрепить её за ушами возникла в 16 веке. К этому времени оправы изготовлялись не только из дерева, но и из железа, кожи, рога и китового уса. Появления заушников вызвало необходимость при изготовлении очковых оправ применять жёсткое соединение двух ободков, то есть у оправы появился мостик.
Усложнение оптических систем и повышение требований к точности изготовления оптических деталей способствовали совершенствованию методов обработки стекла, а именно к концу 16 века ручная работа заменилась в основном станочной.
В «Диалектике природы» Ф. Энгельс пишет: «Когда после тёмной ночи средневековья вдруг вновь возрождаются с неожиданной силой науки, начинающие развиваться с чудесной быстротой, то этим чудом мы опять-таки обязаны производству». И в первую очередь он среди других факторов называет очки, которые «…доставили не только огромный материал для наблюдения, но также и совершенно иначе, чем раньше, средства для экспериментирования и позволили сконструировать новые инструменты». Этими инструментами стали зрительная труба (1609), а несколько позже микроскоп. История их изобретения связана с великими именами Галилея, Кеплера и Левенгука.
В России очки появились в конце 16 века, правда, документальное подтверждение этому относится к 1639 году. К концу 17 века очки в России получили широкое распространение. В 80–90-х годах 17 столетия русские купцы продавали их даже в Сибирь и Китай.
В развитии оптики и производства стекла в России большая заслуга принадлежит Петру Первому. При его дворе была организована оптическая мастерская и построено много стекольных заводов. В 1726 году при Российской Академии наук были открыты оптические мастерские, которые долгое время оставались центром оптического производства. Последователем М.В. Ломоносова в области обработки стекла был талантливый техник-изобретатель И.П. Кулибин, который обновил оборудование оптических мастерских и значительно улучшил технологию обработки стекла. Однако достижения русских учёных не получили дальнейшего применения, так как оптическое стекло в стране не производилось, а необходимые приборы ввозились из-за границы.
После изобретения положительных и отрицательных очковых линз крупным шагом в истории развития их является изобретение бифокальных (двухфокусных) линз. Соединил половинки двух линз различных рефракций в одну оправу американский учёный Б. Франклин (1784 год). В 1837 году Уэллсом и Гульдом были изготовлены бифокальные линзы путёмнаклейки добавочной линзы на основную. В 1908 году Борш предложил впекать в основную линзу добавочную, что дало возможность получать бифокальные линзы с невидимой линией раздела.
В 1910 году Коннор изобрёл трифокальные линзы, а в 1959–1960 годах во Франции и ГДР были предложены линзы с плавно меняющейся рефракцией. Тем самым были созданы лучшие условия коррекции старческого зрения.
Кроме дальнозоркости и близорукости, значительное применение имеет астигматизм глаза. Астигматизм был обнаружен и впервые исследован в 1801 году английским врачом и естествоиспытателем Т. Юнгом. В 1827 году астроном Айри нашёл, что астигматизм глаза можно корригировать цилиндрическими линзами.
В 19 веке очковые оправы претерпели серьёзные изменения: появились соединительные мостики различной конфигурации, овальная форма ободков, очки-пенсне, носовые упоры. В 70-х годах стал известен новый полупрозрачный пластиковый материал – целлулоид, который сразу же нашёл широкое применение в производстве очковых оправ. Вначале им покрывали заушники, ободки, носовые упоры металлических оправ, а затем целлулоид стал полностью использоваться для изготовления этих деталей.
В 1905 году по инициативе знаменитого русского кораблестроителя А.Н. Крылова, профессора А.Л. Гершуна и конструктора оптических прицелов Я.Н. Перепёлкина была организована оптическая мастерская при Обуховском заводе в Петербурге, которая сыграла значительную роль в истории отечественного приборостроения, явившись первым русским оптико-механическим предприятием заводского типа и школой оптического производства. В годы Первой Мировой войны число оптических заводов несколько увеличилось, но все они зависели от привозного оптического стекла и основного станочного оборудования.
20 век характеризуется значительным совершенствованием очков. Вместо двояковыпуклых и двояковогнутых линз, так называемых линз «Би-формы», были рассчитаны выпукло-вогнутые (менисковые), анастигматические линзы высокой точности – Чернинг, Оствальд, Воллостон, фон Рор. Выпукло-вогнутые очковые линзы впервые были выпущены в 1909 году фирмой К. Цейс. В начале 30-х годов этой же фирмой были изготовлены катральные очковые линзы с асферической поверхностью.
После революции созданный Государственный оптический институт (ныне имени С.И. Вавилова) положил начало организации отечественной оптико-механической промышленности, за короткий промежуток времени достигшей огромных успехов не только по варке оптического стекла, но и по методам его обработки. К концу первой пятилетки Советский Союз полностью отказался от ввоза оптических приборов в основном станочного оборудования.
Следующим крупным шагом в истории развития средств коррекции зрения было осуществление фирмой К. Цейс по расчетам Хейне в 1929 году массового выпуска линз, надевающихся непосредственно на глазное яблоко, так называемых контактных линз. Вначале они изготовлялись из силикатного стекла, а 1937 году Дьерффи и Файнблюм предложили изготовлять контактные линзы из прозрачной пластмассы (органического стекла). В 1949 году. Появились роговичные контактные линзы малого диаметра, которые в настоящее время получили наибольшее распространение.
В конце 50-х годов в ЧССР академиком О. Вихтерле были разработаны мягкие гидроколлоидные контактные линзы. Эти линзы удобны при длительном ношении, но имеют ряд недостатков: отсутствие постоянства формы, необходимость хранения в специальном водном растворе.
С 50-х годов нашего столетия всё больше начинают применять оправы с ободками, по форме близкими к прямоугольной. Получили распространение и комбинированные очковые оправы, часть деталей которых сделана из пластмассы, а часть из металла.
Форма очковых оправ, особенно в последнее время, изменяется довольно часто, так как её увязывают с тенденцией моды. Если с 1920 по 1950 год во всём мире было изготовлено всего лишь 200 новых моделей, то в настоящее время вдвое большее количество новых моделей изготавливается каждый год.
До 1940 года в СССР было фактически одно предприятие, выпускающее очковые линзы – Витебская фабрика очковой оптики. Она производила ежегодно 5 млн. линз и 2,5 млн. оправ. Последние были металлические или в целлулоидной оплётке.
После 1940 и до 50-х годов производство изделий очковой оптики увеличилось по сравнению с прежним уровнем в 3 раза. Начали выпускать полностью пластмассовые или целлулоидные оправы. Научно-техническая революция потребовала значительного увеличения производства очковой оптики. Это связано с серьёзными изменениями условий зрительной деятельности человека, неуклонным ростом культурного уровня населения, что привело к значительному увеличению потребности в корригирующих очках и изменению требований к ним. В нашей стране, как и в других странах развитых в техническом отношении, более 1/3 населения нуждается в коррекции зрения. Уже 20 лет назад отечественная промышленность выпускала более 70 млн. очковых линз и 20 млн. оправ. В настоящее время – ещё больше.
Трудами советских учёных существенно развиты теории шлифования и полирования оптического стекла, разработаны и внедрены в производство полуавтоматические станки для изготовления оптических деталей, значительно расширен объём работ с применением высокоэффективного алмазного инструмента, а с середины 60-ых годов и инструмента с синтетическим алмазом. Советская оптико-механическая промышленность являлась одной из ведущих в мире. Она производила все без исключения виды современных на то время оптических деталей и приборов.
Исследования по обработке оптического стекла велись главным образом в Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова. Среди ведущих Советских специалистов, внесших значительный вклад в развитие отечественной оптико-механической промышленности, в первую очередь можно назвать И.Е. Александрова, Н.Н. Качалова, И.И. Китайгородского, А.Л. Ардамацкого, В.Н. Бакуля, К.Г. Куманина, Т.П. Капустину и других. Следует отметить педагогическую деятельность профессора А.Н. Бардина в становлении не одного поколения советских специалистов оптиков-механиков.
Характеризуя последующее развитие производства изделий очковой оптики, можно сформулировать следующие основные тенденции:
– дальнейшее увеличение производства изделий очковой оптики, так как очки стали не только средством коррекции зрения, но и аксессуаром человека;
– расширение ассортимента сложных очковых линз и увеличение диаметра всех выпускаемых линз;
– широкое внедрение очковых линз различных типов, изготовляемых из прозрачных полимерных материалов с повышенной механической прочностью поверхностного слоя;
– применение при формообразовании очковых линз зональных поверхностей Френеля;
– использование при изготовлении контактных линз полимеров, содержащих гель, – получение полумягких контактных линз;
– применение этрола и других пластических масс, при изготовлении оправ, а также широкое использование металлов с декоративным покрытием.
Развитие технологии изготовления оптических деталей проходит по следующим направлениям:
1. Создание инструментов из сверхтвёрдых материалов, синтетических и полимерных материалов, появления абразивных порошков и других материалов с улучшенными технологическими свойствами определило возможность разработки принципиально новых видов станков, работающих на интенсивных и скоростных режимах. Это позволило создавать оборудование, в котором качество осуществления технологического процесса определяется не столько квалификацией оптика, сколько самим станком, работающим в полуавтоматическом и автоматическом режимах. Благодаря этому открываются возможности дальнейшего сокращения трудоёмкости и увеличения объёма производства оптических деталей.
--PAGE_BREAK--2. Интенсивно ведутся работы по механизации и автоматизации всех технологических операций (основных и вспомогательных), таких как фасетирование очковых линз, окончательная промывка деталей, очистка и промывка наклеечного инструмента. Осуществляется переход к новому принципу производства оптических деталей, когда автоматизированное оборудование с учётом технологической последовательности объединяется в поточную или автоматизированную линию.
3. Следует отметить ещё одно направление автоматизации технологического процесса, особенно для линз с астигматической и асферической поверхностью, – создание программных станков с обратной связью, корректирующей программу формообразования. За последнее время возрастает номенклатура оборудования, повышается её точность, усложняются конструкции за счёт применения электрических, пневматических, гидравлических, вакуумных узлов и агрегатов. При этом значительно возрастает значение типового размерного ряда оборудования с базовой моделью и возможно большей степенью унификации деталей и узлов. Одновременно с этим наблюдается тенденция к созданию агрегатных станков – компоновка станков в зависимости от условий и потребности производства из необходимого числа единичных модулей. А теперь немного о технологиях, которые развивались с течением времени, совершенствовались с ходом истории.
Для многих людей есть необходимость в коррекции зрения. Причин этому может быть множество: наследственность, ухудшение зрения в процессе жизни связанное с перенапряжением глазных мышц, болезни и травмы. А так как человек около 90% информации об окружающем мире получает благодаря зрению, то его качество, бесспорно, играет очень важную роль. Вне зависимости от причин ухудшения зрения формально существует три способа коррекции зрения: хирургическая коррекция, коррекция с помощью коррегирующих очков и контактных линз. В каждом случае человек сам выбирает, каким способом ему воспользоваться. Наиболее распространённый способ коррекции зрения – это коррегирующие очки.
Коррегирующие очки состоят из двух частей: оправы и двух очковых линз. Оправы для коррегирующих очков делают из двух материалов: сплавов различных металлов и полимеров. Существуют три основных способа крепления линз в оправе. В зависимости от способа крепления оправы их делят на три вида: ободковые, лесочные и винтовые. В зависимости от типа оправы изготавливают очки из различных материалов: стекло и пластик. Для изготовления стеклянных линз используются различные марки стекла, такие как К-8 и БОК-3. За последнее десятилетие изготовление стеклянных линз по всему миру значительно сократилось. Этому послужили две основных причины: необходимость использования больших производственных площадей и дороговизны процесса варки оптического стекла. Для варки такого стекла применяются титановые печи, которые должны работать всегда. Если на короткое время остановить эту процедуру, то части оптического стекла затвердеют на поверхности титановой печи, и печь будет непригодна для дальнейшего использования, поэтому изготовление полимерных линз оказывается намного проще и дешевле. Современные полимерные линзы получаются в результате смешивания двух жидких компонентов, после смешивания которых, получившийся состав заливают в специальные формы, в которых получаются готовые линзы. За счёт соотношения кривизны внутренних сторон этой формы получается очковая линза с фиксированной кривизной внешней и внутренней поверхностей. Благодаря специальному соотношению кривизны двух этих поверхностей достигается необходимая оптическая сила линзы. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях. Очковые линзы производятся с шагом равным 0,25 диоптрий. Для линз с большой оптической силой (более 10 диоптрий) осуществляется шаг размером 0,5 единицы. Для коррекции дальнего зрения применяются линзы с отрицательными диоптриями, а для коррекции ближнего зрения – с положительными. В зависимости от знака диоптрий отличаются поверхности задней и передней поверхностей линзы. У минусовой линзы задняя поверхность вогнутая, а передняя – выгнутая, но при увеличении оптической силы до 6 диоптрий и далее, она становится плоской. У плюсовой линзы передняя поверхность выгнутая, задняя – вогнутая, но при увеличении оптической силы до 8 диоптрий и далее, она становится плоской. В результате центр минусовой линзы тоньше, чем край, а у плюсовой край тоньше центральной части.
Прежде чем очковая линза получит законченный вид необходимо произвести обработку её поверхностей. Для этого используется полуготовая линза, называемая заготовкой, определяющей кривизну передней и задней поверхностей. Прежде чем из заготовки получится готовая линза, необходимо произвести полировку и шлифовку обоих поверхностей. Для этого применяется специализированное оборудование. В зависимости от толщины и кривизны заготовки делятся на группы, называемые базой. Технологический процесс изготовления очковой линзы состоит из нескольких операций, выполняемых в строгой последовательности.
Сначала производится обработка передней поверхности, в результате чего создаётся базовая кривизна передней поверхности. Перед этим заготовка блокируется по задней поверхности, затем выполняется обработка передней. В результате этого получается полуготовая линза, называемая полузаготовкой. После того, как создана передняя поверхность нужной кривизны, приступают к обработке задней поверхности. Для этого аналогично блокируется передняя поверхность, а шлифуют и полируют заднюю. Предварительно переднюю поверхность линзы защищают с помощью специального лака, если это стеклянная линза, если же это полимерная линза, то использую особую защитную плёнку. В результате получается готовая линза. Далее выполняется контроль качества этой очковой линзы. Проверяется качество шлифовки и полировки поверхностей, толщина линзы по центру и её оптическая сила.
Толщина линзы измеряется с помощью толщинометра, а оптическая сила – с помощью диоптриометра.
Все очковые линзы имеют круглую форму и определяются следующими диаметрами: 65 или 70 миллиметров. В зависимости от того, какое количество линз надо произвести, применяются различные способы их изготовления. Можно привести два основных способа: серийный и штучный. При серийном изготовлении линз, двухкомпонентный состав заливается в специальную форму, после чего происходит полимеризациялинзы. Штучное же изготовление полимерных линз осуществляется с помощью полузаготовки, у которой передняя поверхность полностью обработана, поэтому выполняется шлифовка и полировка только задней поверхности. Процесс изготовления штучной стеклянной линзы аналогичен процессу технологии изготовления штучной полимерной линзы.
Чем выше оптическая сила линзы, тем она толще по центру или краю. Поэтому в современной оптической промышленности применяются стеклянные и полимерные материалы, имеющие различные коэффициенты преломления. Чем выше коэффициент, тем тоньше линза. Коэффициенты преломления стеклянной линзы из БОК-3 равен 1,523. Существуют более современные марки стекла, у которых этот коэффициент достигает 1,6 и 1,7. Наиболее распространённый материал полимерной линзы имеющий маркировку СR-39 имеет коэффициент преломления 1,49. Более современные варианты полимерных линз имеют следующие коэффициенты: 1,56; 1,61, 1,67 и 1,74.
Очковые линзы производящиеся из стекла имеют значительно большую массу по сравнению с полимерными линзами, но в отличие от них более устойчивы к механическим повреждениям передней и задней поверхностей, но стеклянная линза является более хрупкой, чем полимерная. Для того чтобы защитить поверхности полимерной линзы от царапин применяются специальные покрытия. Они наносятся двумя разными способами: напылением в вакууме, лакированием. При лакировании линза либо опускается в жидкий лак, либо лак наносится специальным оборудованием. Для более быстрого затвердевания лака применяется ультрафиолетовое излучение. Помимо упрочняющих покрытий в современной оптике применяются просветляющие, гидрофобные, антистатические покрытия. Просветляющие покрытия предназначены для уменьшения отражения света от поверхностей линзы. Как правило, просветляющее покрытие наносится на линзу от двух до девяти слоёв. Каждый из слоёв позволяет снизить отражение света имеющего определённую длину волны. Чем больше слоёв – тем качественней покрытие. Гидрофобное покрытие предназначено для защиты поверхности линзы от загрязнения и разводов жидкости на линзе. Антистатические покрытия предназначены для предотвращения скапливания электрических зарядов на линзе, что приводит к её быстрому загрязнению. Ещё из школьных опытов известно, что потёртая эбонитовая палочка прекрасно притягивает маленькие кусочки бумаги и пыль, а для линзы это вовсе излишняя способность. Помимо специальных покрытий применяются различные декоративные покрытия. Они наносятся для придания линзе определённого цвета.
Для защиты от ультрафиолетового излучения используются специальные покрытия. Так же эти покрытия дают дополнительную защиту от ультрафиолетовых лучей. Если необходимо добиться защиты от УФ без изменения цвета, то применяется особое прозрачное покрытие. К специальным покрытиям относят покрытия, имеющие узкую направленность, например для защиты от разных видов излучения. Даже для защиты от инфракрасного и электромагнитного излучений. Так же существуют покрытия, которые предназначены для защиты и восстановления зрения после операций на глазах, вызванных заболеваниями типа катаракты или глаукомы. На данный момент оптическая промышленность развивается быстрыми темпами и обещает в будущем изобретать всё более и более совершенные технологии изготовления всех видов линз.
www.ronl.ru
