詳細說明

概念

透鏡可廣泛應用于安防、車載、數(shù)碼相機、激光、光學儀器等各個領域，隨著市場不斷的發(fā)展，透鏡技術也越來越應用廣泛。（lens）透鏡是根據(jù)光的折射規(guī)律制成的。透鏡是由透明物質(zhì)（如玻璃、水晶等）制成的一種光學元件。透鏡是折射鏡，其折射面是兩個球面（球面一部分），或一個球面（球面一部分）一個平面的透明體。它所成的像有實像也有虛像。

凸透鏡：中間厚，邊緣薄，有雙凸、平凸、凹凸三種；

凹透鏡：中間薄，邊緣厚，有雙凹、平凹、凸凹三種。

介紹

薄透鏡為一種中央部分的厚度和其兩面的曲率半徑相比為很大的透鏡。初期，照相機只裝有一個凸透鏡的鏡頭，故稱為“單透鏡”。隨著科技日益發(fā)展，現(xiàn)代鏡頭均有若干不同形式和功能的凸凹透鏡組成一個會聚的透鏡，稱為“復式透鏡”。復式透鏡中之凹透鏡起校正各種象差的作用。

光學玻璃具有透明度高、純潔、無色、質(zhì)地均勻，且有良好的折光能力，故為鏡頭生產(chǎn)的主要原料。由于化學成分和折射率不同光學玻璃有：

1．火石玻璃：在玻璃成分中加入氧化鉛，以增加折射率（1.8804）。

2．冕牌玻璃：在玻璃成分中加入氧化鈉和氧化鈣制成，以減低其折射率（鋇冕玻璃的折射率為1.7055）。

3．鑭冕玻璃：為所發(fā)現(xiàn)的品種，它具有折射率高，色散率低的優(yōu)良特性，為創(chuàng)造大口徑的高級鏡頭提供了條件。

原理

用于燈具上之一種玻璃或塑料性組件可以變化光線之方向或是控制配光分布情形。

透鏡是組成顯微鏡光學系統(tǒng)的最基本的光學元件，物鏡、目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。依其外形的不同，可分為凸透鏡（正透鏡）和凹透鏡（負透鏡）兩大類。

當一束平行于主光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點，這個點稱“焦點”，通過焦點并垂直光軸的平面，稱“焦平面”。焦點有兩個，在物方空間的焦點，稱“物方焦點”，該處的焦平面，稱“物方焦平面”；反之，在像方空間的焦點，稱“像方焦點”，該處的焦平面，稱“像方焦平面”。

光線通過凹透鏡后，成正立虛像，凸透鏡則成倒立實像。實像可在屏幕上顯現(xiàn)出來，而虛像不能。

分類

凸透鏡

凸透鏡是中央較厚，邊緣較薄的透鏡。 凸透鏡具有會聚光線的作用，所以也叫“會聚透鏡”、“正透鏡”（可用于遠視與老花鏡）。此類透鏡可分為：

a.雙凸透鏡——是兩面凸的透鏡；

b.平凸透鏡——是一面凸、一面平的透鏡；

c.凹凸透鏡——為一面凸，一面凹的透鏡。

凸透鏡成像規(guī)律是指物體放在焦點之外，在凸透鏡另一側(cè)成倒立的實像，實像有縮小、等大、放大三種。物距越小，像距越大，實像越大。物體放在焦點之內(nèi)，在凸透鏡同一側(cè)成正立放大的虛像。物距越小，像距越小，虛像越小 在光學中，由實際光線匯聚成的像，稱為實像，能用光屏呈接；反之，則稱為虛像，只能由眼睛感覺。有經(jīng)驗的物理老師，在講述實像和虛像的區(qū)別時，往往會提到這樣一種區(qū)分方法：“實像都是倒立的，而虛像都是正立的。”所謂“正立”和“倒立”，當然是相對于原物體而言。

將平行光線（如陽光）平行于主光軸（凸透鏡兩個球面的球心的連線稱為此透鏡的主光軸）射入凸透鏡，光在透鏡的兩面經(jīng)過兩次折射后，集中在軸上的一點，此點叫作凸透鏡的焦點（記號為：F；英文為：focus），凸透鏡在鏡的兩側(cè)各有一實焦點，如為薄透鏡時，此兩焦點至透鏡中心的距離大致相等。凸透鏡之焦距是指焦點到透鏡中心的距離，通常以f表示。凸透鏡球面半徑越小，焦距（記號為：f，英文為：focal length）越短。凸透鏡可用于放大鏡、老花眼及遠視的人戴的眼鏡、攝影機、電影放映機、顯微鏡、望遠鏡的主軸：通過凸透鏡兩個球面球心C1、C2的直線叫凸透鏡的主光軸。光心：凸透鏡的中心O點是透鏡的光心。焦點：平行于主軸的光線經(jīng)過凸透鏡后會聚于主光軸上一點F，這一點是凸透鏡的焦點。焦距：焦點F到凸透鏡光心O的距離叫焦距，用f表示。物距：物體到凸透鏡光心的距離稱物距，用u表示。像距：物體經(jīng)凸透鏡所成的像到凸透鏡光心的距離稱像距，用v表示。

公式：1/u（物距） 1/v（像距）=1/f（透鏡焦距）

（關于符號的正負：物距u恒取正值。像距v的正負由像的實虛來確定，實像時v為正，虛像時v為負。凸透鏡的f為正值，凹透鏡的f為負值。）

凹透鏡

凹透鏡亦稱為負球透鏡，鏡片的中央薄，周邊厚，呈凹形，所以又叫凹透鏡。凹透鏡對光有發(fā)散作用。平行光線通過凹球面透鏡發(fā)生偏折后，光線發(fā)散，成為發(fā)散光線，不可能形成實性焦點，沿著散開光線的反向延長線，在投射光線的同一側(cè)交于F點，形成的是一虛焦點。

凹透鏡成像的幾何作圖與凸透鏡者原則相同。從物體的頂端亦作為兩條直線：一條平行于主光軸，經(jīng)過凹透鏡后偏折為發(fā)散光線，將此折射光線相反方向返回至主焦點；另一條通過透鏡的光學中心點，這兩條直線相交于一點，此為物體的像。

凹透鏡所成的像總是小于物體的、直立的虛像，凹透鏡主要用于矯正近視眼。

凹透鏡具有發(fā)散光線的作用，所以也叫“發(fā)散透鏡”、“負透鏡”（可用于近視眼鏡）。此類透鏡又可分為：

a.雙凹透鏡——是兩面凹的透鏡

b.平凹透鏡——是一面凹、一面平的透鏡

c.凸凹透鏡——為一面凸、一面凹的透鏡

其兩面曲率中心之連線稱為主軸，其中央之點O稱為光心。通過光心的光線，無論來自何方均不折射。平行主軸之光束，照于凹透鏡上折射后向四方發(fā)散，逆其發(fā)散方向的延長線，則均會于與光源同側(cè)之一點F，其折射光線恰如從F點發(fā)出，此點稱為虛焦點。在透鏡兩側(cè)各有一個。凹透鏡又稱為發(fā)散透鏡。凹透鏡的焦距，是指由焦點到透鏡中心的距離。透鏡的球面曲率半徑越大其焦距越長，如為薄透鏡，則其兩側(cè)之焦距相等。

凹透鏡所成的像總是小于物體的。

車用透鏡

透鏡的光形是最標準的，可以有很明顯的明暗切割線，通過聚光的作用解決了散光的問題，在國外，氙氣燈是標配透鏡使用的，這種鏡屬于光學鏡一類，我們就叫它“透鏡”。采用，光線散失小等優(yōu)點。具專業(yè)從事氙氣大燈改裝師傅建議裝了HID大燈而沒有裝透鏡的司機朋友，為了您自身的安全，也為了他人的安全，加裝透鏡是最好的選擇。

透鏡功用

1.因為透鏡有較強的聚光能力，所以用它來照路，不僅路面明亮，而且清晰。

2.由于光線分散很小，所以它的光線射程要比普通鹵素燈要遠和清晰。故而能使您在第一時間看到遠處的事物，避免開過路口或錯過目標。

3.透鏡式燈頭的大燈相比采用傳統(tǒng)燈頭的大燈具有，亮度均勻，穿透力強，所以他不管在雨天還是在大霧天氣都有較強的穿透力。從而能讓迎面駛來的車輛第一時間收到燈光信息，避免事故的發(fā)生。

4.透鏡里面的HID燈泡壽命是普通燈泡的8到10倍，從而減去讓您老是要換燈所帶來的不必要麻煩。

5.透鏡氙氣燈不需要加裝任何供電系統(tǒng)，因為真正的HID氣體放電燈，要有一顆電壓安定器，12V電壓，接著再將電壓轉(zhuǎn)成正常電壓，穩(wěn)定持續(xù)供應氙氣燈泡發(fā)光。從而能起到節(jié)電的功能。

6.和第5條說的一樣，由于透鏡燈泡是由安定器升壓到23000V，用在剛開啟電源時的瞬間刺激氙氣達到高亮度的，所以他在斷電的情況下還能維持3到4秒的亮度。這樣能使您在緊急情況下提前做好停車準備，避免災難的發(fā)生。這點傳統(tǒng)鹵素燈是做不到的。

7.在遇到那些大型貨車或開車的燈光通知他，如果還是沒有用的話，那您就用遠光通知他。

區(qū)別

結構不同

凸透鏡是由兩面磨成球面的透明鏡體組成,兩邊薄，中間厚

凹透鏡是由兩面都是磨成凹球面透明鏡體組成，兩邊厚，中間薄

對光線的作用不同

成像性質(zhì)不同

凸透鏡是折射成像

凹透鏡是“光線通過凹透鏡后，成正立虛像，而凸透鏡則成倒立實像。實像可在屏幕上顯現(xiàn)，而虛像不能”。

規(guī)律

一、透鏡用透鏡符號來表示（一條線段兩頭有兩個V形標志）

畫出主光軸，標出光心、焦點來根據(jù)透鏡的三條特殊光線中的兩條折射光線（一般作過光心的光線和平行于主光軸的光線較好）的相交點，即可得到透鏡所成的像的特點（如虛實、大小、正倒等）。

二、透鏡成像時，物體上每一點發(fā)出的照到透鏡上的所有光線都成像在同一個位置，擋住一部分，并不影響射向透鏡的其它光線的成像，所以仍然可以看到完整的像，但是由于射到像上的光線減少，所以屏上像的亮度會變暗。

三、凸透鏡成像規(guī)律：

1．凸透鏡成實像需要滿足的一個條件是（u>f）。

2．共軛成像指的是物距和像距的大小可以互換，兩種情況下分別成放大、縮小的倒立實像。

3．透過凸透鏡看二倍焦距之外的鐘表，秒針的像仍然是順時針方向轉(zhuǎn)動，因為此時成倒立的實像，倒著看仍是正常的方向，所以仍然是順時針方向轉(zhuǎn)動。

實虛像

相同點：它們都是光線所在的直線的相交而成的

不同點：實像是實際光線相交成的，而虛像是光線的反向延長線相交而成的：

實像都是倒立的，而虛像都是正立的；實像可以呈在光屏上，也可以用眼睛觀察到，而虛像不能呈在光屏上，只能用眼睛觀察到

1．粗測凸透鏡焦距的方法有：會聚太陽光（或平行光線）的方法、遠物成像法、成倒立等大實像的方法、共軛成像法7．（1）照相時照遠景時，相機遠離被拍攝物，鏡頭后縮；照近景時，相機要靠近被拍攝物，鏡頭前伸。（理由是：凸透鏡成實像時：物近像遠像變大、物遠像近像變?。?/p>

2．放大投影儀投出的像時，鏡頭要向下調(diào)節(jié)，同時要增大投影儀到屏幕的距離；縮小投影儀投出的像時，鏡頭要向上調(diào)節(jié)，同時要減小投影儀到屏幕的距離。（理由同上題）

3．使平行于珠光線的光匯聚在一點放大通過放大鏡看到的像時，應將放大鏡到被觀察物的距離適當增大（不能比透鏡的焦距大）；縮小通過放大鏡看到的像時，應將放大鏡到被觀察物的距離減小 （理由：凸透鏡成虛像時：物近像近像變小、物遠像遠像變大）。

5．透鏡上通過兩個球心的直線叫主光軸

6．平行于主光軸的光會聚在一點，這個點叫焦點

7．焦點到光心的距離叫做焦距

8．在主光軸上有一個特殊點：凡是通過該點的光線傳播方向不變，此點是透鏡的光心

鏡頭透鏡

鏡頭是由幾片透鏡組成，透鏡有塑膠透鏡（plastic）和玻璃透鏡（glass）兩種，玻璃透鏡比塑膠貴。通常攝像頭用的鏡頭構造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等，透鏡越多，成本越高。因此一個品質(zhì)好的攝像頭應該是采用玻璃鏡頭的，其成像效果要比塑膠鏡頭好。鏡頭對成像質(zhì)量也有極大影響，好的鏡頭使圖像更加清晰、細膩。一般投影儀的鏡頭都是變焦鏡頭，針對市場的不同，變焦倍數(shù)從4倍到16倍或更高。

小口訣

1.透鏡

說透鏡，能透光；中間厚，凸透鏡；中間薄，凹透鏡。

會聚作用凸透鏡，發(fā)散作用凹透鏡。

平光會聚到一點，焦點F來表示。

焦點到達鏡光心，距離叫作鏡焦距（用f表示）。

2.生活中的透鏡

物遠像近照相機，縮小實像且倒立。

物近像遠投影儀，放大實像且倒立。

物像同側(cè)放大鏡，正立放大一虛像。

實像倒立虛像正，實像異側(cè)虛像同。

3.凸透鏡成像規(guī)律及應用

物在兩倍焦距外，一、二倍（焦）距間成像。

實像倒立且縮小，此例用在照相機。

物移近，像移遠，同時像還要變大。

物在一、二倍距間，二倍焦距外成像。

實像倒立且放大，此例用在投影儀。

物體位于焦點內(nèi)，移動光屏不見像。

透過透鏡看物體，正立放大一虛像。

物體與像處同側(cè)，此例用在放大鏡。

物近像遠像變大，物遠像近像變小。

二倍焦距分大小，一倍焦距分虛實。

物距減小，實像變大且變遠，虛像變小且變近。

講解：

物體在凸透鏡一倍焦距外時，凸透鏡成實像。在一倍焦距內(nèi)u成虛像，物體在凸透鏡二倍焦距外（u>2f）時，凸透鏡成縮小的實像。

2f>u>f時，成放大的實像。沒有縮小的虛像、實像都是倒立的，沒有倒立的虛像。

眼睛和眼鏡

近視眼晶狀體厚，看清近處看不清遠。

遠光成像視網(wǎng)膜前，戴凹透鏡恢復正常。

遠視眼晶狀體薄，看清遠處看不清近。

近光成像視網(wǎng)膜后，戴凸透鏡調(diào)清光。

眼睛近點10cm，明視距離25cm。

拓展

初中應用物理知識競賽關于透鏡及其應用拓展的知識點主要有：

1. 透鏡成像作圖遵循的三條原則（三條特殊光線）：①平行于主光軸的光線，經(jīng)透鏡折射后通過主焦點；②通過光心的光線經(jīng)透鏡折射后方向不變；③通過主焦點的光線，經(jīng)透鏡折射后跟主光軸平行。

2. 凸透鏡成像公式：1/u（物距） 1/v（像距）=1/f（透鏡焦距）。對凸透鏡成像規(guī)律的理解：

a) 一個結論：實倒異，虛正同。即實像總是倒立在異側(cè)，不但可以看到且可以用光屏承接；虛像總是正立在同側(cè)，可以看到但不能用光屏承接。

b) 兩個分界點：焦點和2倍焦距處。焦點是實像與虛像的分界點。當物體位于凸透鏡的焦點以內(nèi)時，成虛像；當物體位于凸透鏡的焦點以外時，成實像?？珊営洖椋航裹c內(nèi)外分虛實，內(nèi)虛外實。2倍焦距處點是放大像與縮小像的分界點。當物體位于凸透鏡的2倍焦距和焦點之間時，成放大的實像；當物體位于凸透鏡的2倍焦距以外時，成縮小的實像?？珊営洖椋?倍焦距點內(nèi)外分大小，內(nèi)大外小。

三個變化：①像的大小和像距的變化：物體向焦點移近，所成的像就變大，同時像距變大。②像物移動速度的變化：物體位于2倍焦距處點之外（u>2f），物距大于像距，成倒立縮小實像，物體移動速度大于像移動速度；物體位于2倍焦距處點和焦點之間（f<u<2f），物距小于像距，成倒立放大實像，物體移動速度小于像移動速度。③物像之間的距離變化：當物體位于2倍焦距處，成像在另一側(cè)2倍焦距處，物像距離最小，等于4倍焦距。當物體位于2倍焦距處以外，成像在另一側(cè)焦點與2倍焦距處點之間，物體向2倍焦距處點移動，物像之間距離變小；物體遠離2倍焦距處點移動，物像之間距離變大。當物體位于2倍焦距處以內(nèi)（焦點與2倍焦距處點之間），成像在另一側(cè)2倍焦距處以外，物體向2倍焦距處點移動，物像之間距離變??；物體向焦點移動，物像之間距離變大。

物透鏡是將電子束聚焦到基片上的一個最終的電磁透鏡。

歷史

歐洲有關透鏡的文字記載，最早出現(xiàn)在古希臘，在阿里斯托芬的戲劇《云》（紀元前424年）中就提到了燒玻璃（一種凸透鏡，可以匯聚太陽光來點火）；以《自然史》（Naturalis Historia）一書留名后世的古羅馬作家、科學家，老普林尼（23年–79年）的文字敘述中也表示羅馬帝國知道燒玻璃，并且提及矯正透鏡第一個可能的用途：說是尼祿用于觀看格斗比賽使用的綠寶石。（雖然可供參考的資料并不明確，但推測是改正近視的凹透鏡。）他與小普林尼和小瑟內(nèi)卡（Seneca the Younger，前3年–65年）都描述充滿了水的玻璃球有放大的功能。阿拉伯的數(shù)學家Ibn Sahl（c.940年–c.1000年）使用所知的史奈爾定律計算透鏡的形狀；Ibn al-Haitham（965年–1038年）撰寫了第一篇光學的論，描述透鏡如何在人眼睛的視網(wǎng)膜上成像。最古老的人工制品是在美索不達米亞的尼尼微被挖掘出來的石英透鏡，大約出現(xiàn)在紀元前640年。

中國戰(zhàn)國時期的《墨子》一書，敘述了透鏡成像規(guī)律?！赌印そ?jīng)下》及《墨子·經(jīng)說下》的第二四、二五條，便分別敘述了凹透鏡和凸透鏡的成像規(guī)律。

最近在維京人的港口小鎮(zhèn)Fr?jel，瑞典的哥特蘭，進行的挖掘工作，顯示在11到12世紀已經(jīng)能夠制造水晶透鏡，而且檢視其品質(zhì)可以與50年代的消球差透鏡相比較，維京透鏡可以聚集太陽光點燃火種。

眼鏡大約在1280年的意大利被發(fā)明，之后透鏡才被普遍的利用。尼古拉斯·庫沙則被認為是第一位將凹透鏡用于治療近視的人，時間則是1451年。

恩斯特·阿貝（1860年）提出的阿貝正弦條件，描述了透鏡或其他光學系統(tǒng)要能在離開光軸的區(qū)域上產(chǎn)生如同在光軸上一樣清晰的影像所必須的條件。他改革了光學儀器，例如顯微鏡的設計，主導了光學儀器的研究與發(fā)展。