Толстые линзы. Главные точки и плоскости

276. Теперь мы постараемся обобщить выводы § 136 главы IV. Установим следующую теорему:

Каково бы ни было напряженное состояние, всегда существуют три взаимно перпендикулярные плоскости, на которых касательные компоненты напряжения равны нулю, а нормальные компоненты имеют стационарные значения (максимум, минимум или минимакс). Плоскости, о которых идет речь, называются главными плоскостями

напряжений, а нормальные напряжения на них называются главными напряжениями.

Это основная теорема теории напряжений. Из нее следует, что, когда направление главных плоскостей безразлично (а это случается часто), любое общее напряженное состояние будет известно, если задать значения трех главных напряжений. Для того чтобы в общем случае полностью характеризовать напряженное состояние, мы должны, конечно, определить направления главных плоскостей. Для этого мы должны фиксировать еще три величины, а именно, два независимых направляющих косинуса, определяющих первую плоскость, и один, определяющий вторую плоскость.

В § 267 мы «задавали» напряженное состояние девятью компонентами (4), потом число их с помощью соотношений (5) уменьшилось до шести. Итак, мы видим, что согласно обоим способам мы будем знать напряженное состояние, если зададим шесть величин.

277. Выражение для нормального напряжения на плоскости, перпендикулярной а именно

показывает, что является функцией в которую входят заданные (и, следовательно, независимые) величины Направляющие косинусы не независимы, так как они удовлетворяют соотношению

Таким образом, мы можем рассматривать в соотношении как независимые переменные, которым можно давать произвольные значения, и будут функциями

Продифференцируем (1) по считая функций от

Воспользовавшись равенствами (5), мы можем условия (III) написать следующим образом:

Исключив из них с помощью (II) производные, мы как эквивалентные условия получим уравнения:

а они, согласно (7), эквивалентны следующим уравнениям:

Уравнения (10) весьма легко интерпретировать. Они показывают, что на той плоскости, где имеет стационарное значение, компоненты результирующего напряжения по направлениям пропорциональны т. е. направляющим косинусам плоскости. Отсюда следует, что результирующее напряжение на такой плоскости является чисто нормальным. Мы видим, что это чисто нормальное напряжение и является тем главным напряжением, которое определялось в § 276. Интенсивность его равна:

278. Покажем, что главные плоскости действительно существуют. Для этого запишем (V) в форме

Не могут обращаться в нуль одновременно, и мы должны иметь

Это кубическое относительно уравнение. Все коэффициенты его действительны. Следовательно, оно имеет, по крайней мере, один действительный корень, откуда вытекает, что всякое возможное напряженное состояние имеет, по крайней мере, одно главное напряжение (скажем, Подставив вместо в (VI), мы определим направление, соответствующее одной главной плоскости.

Возьмем новые оси координат. Направим новую ось по направлению главного напряжения которое, как мы только что показали, существует. Значения компонентов напряжения изменятся так, как изменились оси. Согласно нашему выбору оси мы будем иметь:

Будут тоже иметь новые значения, и уравнения (VI) в новых осях запишутся так:

Откуда мы имеем или уже найденное решение:

Из (XII) мы видим (так как ), что плоскости перпендикулярны между собой и перпендикулярны плоскости Таким образом, теорема § 276 доказана.

Две условные плоскости H и H ", от которых производится отсчет главных фокусных расстояний f и f " и сопряженных фокусных расстояний а и b связанных формулой:

Положение главных плоскостей в линзе зависит от формы линзы и ее толщины. В сложных объективах положение главных плоскостей зависит от оптических сил отдельных линз и их положения в системе.

Рис. Положение главных плоскостей в линзах разной формы

В симметричных объективах главные плоскости расположены обычно внутри системы, сравнительно недалеко от плоскости диафрагмы. В телеобъективах главные плоскости вынесены далеко вперед и расположены вне объектива.

Рис. Положение задней главной плоскости в объективах различного типа: а - в симметричном объективе задний отрезок короче фокусного расстояния; б - в телеобъективе задний отрезок значительно короче фокусного расстояния; в - в объективе с удлиненным отрезком задний отрезок больше фокусного расстояния

Когда между объективом и светочувствительным слоем необходимо иметь большое расстояние (например, в зеркальных камерах), главные плоскости выносятся назад, и такой объектив называется объективом с удлиненным задним отрезком.

Введение главных плоскостей облегчает графическое построение изображения, так как, зная положение главных плоскостей, можно совершенно не принимать во внимание фактического преломления лучей на многочисленных поверхностях системы и считать, что все преломляющее действие оптической системы сосредоточено в ее главных плоскостях.

Рис. Построение главных плоскостей

На рисунке показано построение главных плоскостей в двояковыпуклой линзе. Луч АВ, идущий параллельно главной оптической оси ОО", преломляясь на первой поверхности, отклоняется к оси и идет в линзе по линии ВС, затем, преломившись на второй поверхности, идет по линии CF " пересекая главную ось в точке F".

Если продолжить с одной стороны луч A By а с другой - провести луч CF " в обратную сторону до их пересечения в точке h ", то два фактических преломления в точках В и С можно заменить одним фиктивным преломлением в точке h ". Разумеется, то же самое имело бы место в сложной системе со многими преломляющими поверхностями, т. е. несколько преломлений может быть заменено совершенно равноценным им одним преломлением в точке h ". Плоскость, проведенная через точку h " перпендикулярно главной оптической оси, называется задней главной плоскостью H".

Таблица

ПОЛОЖЕНИЕ ГЛАВНЫХ ПЛОСКОСТЕЙ В НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СОВЕТСКИХ ОБЪЕКТИВАХ

Знак минус указывает, что расстояние НН" следует не прибавлять к сумме расстояний а+ b , а вычитать из нее, т. е. выражение L = a + b + HH " принимает вид: L = a + b - HH ".

Рис. Положение главных плоскостей в советских объективах

Если луч ab входит в линзу справа и, преломившись дважды в точках b и с, пересекает ось в переднем главном фокусе, то так же можно найти переднюю главную плоскость Н.

В таблице и на рисунке приведено положение главных плоскостей наиболее распространенных советских объективов. Наличие этих данных позволяет точно рассчитать взаимное положение предмета съемки и его изображения относительно объектива для получения заданного масштаба съемки, что особенно важно при съемках на близких расстояниях.

Центрированная система задана, если заданы радиусы кривизны преломляющих поверхностей, расстояния между ними и коэффициенты преломления всех веществ, разграничиваемых поверх­ностями. Главные плоскости каждой преломляющей поверхности, по сказанному в предыдущем параграфе, совпадают с касательной

Рис. 255. Положение главных плоскостей и главных фокусов центрированной системы.

плоскостью, проведенной через вершину этой поверхности. Глав­ные фокусные расстояния отдельных преломляющих поверхностей могут быть вычислены по формулам (7) и (8) § 316. По этим дан­ным можно найти положение главных плоскостей и главных фоку­сов всей системы.

Пусть две центрированные системы I и II (рис. 255) заданы каждая своими главными плоскостями и своими главными фокусными расстояниями fu f[ и /2, fr Расположение этих двух систем друг относительно друга определим расстоянием А между вторым глав­ным фокусом F[ системы I и первым главным фокусом Fq системы II. Последовательно рассматривая прохождение луча через обе системы, можно найти главные фокусные расстояния / и fx образуемой ими системы и положение ее главных плоскостей (см. мелкий шрифт). Для главных фокусных расстояний получаем

Положение первой главной плоскости Н всей системы опреде­лится отрезком Хну отсчитанным от первой главной плоскости системы I (рис. 255):

Также положение второй главной плоскости всей системы опреде­лится отрезком

х№ =/;А+/г/8, (3)

отсчитанным от второй главной плоскости системы II.

Поскольку главные плоскости и главные фокусы отдель­ных преломляющих поверхностей известны, можно путем последо­вательного применения формул (1), (2) и (3) найти главные пло­скости и главные фокусы любой сложной центрированной системы. Рассмотрим ряд частных случаев.

1. Толстая линза. Пусть толстая линза ограничена двумя сферическими поверхностями АВ и NB" (рис. 256) с радиусами кри-

Рис. 256. Нахождение главных фокусов и главных поверхно­стей толстой линзы.

визны гх и гъ отстоящими друг от друга на расстоянии d. Коэффи­циент преломления вещества, заключенного между поверхностями АВ и АГВ\ обозначим через п. Пусть линза находится в воздухе, для которого коэффициент преломления будем считать равным еди­нице. Главные плоскости первой и второй преломляющих поверхно­стей совпадают с плоскостями, касательными к преломляющим по­верхностям в точках О и О" (отмечены на рис. 256 пунктиром).

Сравним между собою первое и второе главные фокусные рас­стояния линзы. Воспользовавшись формулой (9) § 316, получим для первой и второй сферической поверхности:

К _ п f\_ _ _ L

откуда следует

На основании этого равенства и формулы (1) заключаем, что первое и второе главные фокусные расстояния линзы (окруженной

однородной средой) равны по величине и отличаются знаком: 1

В соответствии с определением оптической силы преломляющей поверхности [формула (10) § 316] под оптической силой линзы (или центрированной системы линз), находящейся в однородном веществе

с показателем преломления л0, подразумевается величина:

В нашем случае п0 - п1=п"2-\ и

Найдем оптическую силу Ф линзы. По формуле (1): .Из рис. 256 имеем

откуда для оптической силы линзы находим

ф_±_ * _ rf-/;+/i

Подставляя это значение в выражение для Ф, получим

но уг = Фх и jr = Ф$» где Ф! и Ф2 - оптические силы первой и

второй преломляющих поверхностей линзы. Воспользовавшись этими соотношениями, окончательно получим для оптической силы толстой линзы Ф:

Ф = Ф1 + Ф2- ~ Ф,Ф2. (5)

1 Равенство / =-/", где / и /"-главные фокусные расстояния, имеет место не только для линзы, но и для любой центрированной системы линз, помещенной в однородную среду. В этом легко убедиться, использовав фор­мулы (6) и (6а) и учтя, что для линзы любого номера k имеет место равен­ство = - /V

Для определения положения первой главной плоскости толстой линзы воспользуемся формулой (2). Подставляя в нее вместо А его значение по (4), получим

что перепишем в виде

Величина /1/2/Д, по (1), равна первому главному фокусному рас­стоянию линзы, откуда получим

где Ф - оптическая сила линзы, и j- -

Замечая, что / Ф.

Получим для Хц следующее окончательное выражение:

Величина Хн представляет собою расстояние, отсчитанное от вер­шины линзы О до ее первой главной плоскости.

Рис. 257. Положение главных плоскостей двояковыпуклой толстой линзы.

Аналогично найдем положение второй главной плоскости линзы. Из (3) имеем:

Г d ипи у _f}