Увеличительное стекло называют также собирательной линзой[3]. По форме она очень похожа на зерно чечевицы, а слово «линза» и значит «чечевица».
Обе стороны такой линзы имеют сферические, то-есть шаровые поверхности.
Если на такую линзу направить пучок лучей из какой-либо точки, то отдельные лучи, падая на поверхность линзы, встретятся с этой поверхностью под разными углами (рис. 17).
Рис. 17. Так преломляются лучи света собирательной линзой.
Луч, проходящий через центр линзы, падает под прямым углом и поэтому проходит через линзу не преломляясь. Все остальные лучи падают на поверхность линзы под другими углами и, проходя через стекло, преломляются. Чем дальше от центра линзы падает луч, тем сильнее он преломляется. Вследствие этого, пройдя сквозь линзу, лучи света собираются в одну точку (отсюда линза и получила название собирательной), а затем расходятся, рассеиваются. В том месте, где пересекаются лучи, образуется изображение точки, из которой на линзу падают лучи.
Всё это можно проверить на опыте. Приложите вплотную к собирательной линзе лист белой бумаги, а затем, обратив линзу в сторону солнечных лучей, начните медленно отдалять бумагу от линзы. Сначала на листе бумаги вы увидите освещённый круг, по величине примерно равный линзе. Но чем дальше будет бумага от линзы, тем меньше и ярче будет становиться световой кружок (рис. 18).
Рис. 18. Пройдя сквозь линзу, лучи солнечного света образуют позади линзы сходящийся пучок лучей.
Из этого нетрудно заключить, что солнечные лучи, пройдя сквозь линзу, образуют по другую сторону линзы сходящийся в виде конуса пучок лучей. В том месте, где образуется наименьший по размеру кружок, лучи пересекаются, а затем начинают снова расходиться.
Это также можно проверить, продолжая отодвигать бумагу от линзы.
Яркий маленький кружок, образующийся за линзой, есть не что иное, как изображение Солнца.
Точно так же собирательная линза даёт изображение любого предмета на бумаге или каком-либо другом экране. Из каждой точки светящегося или освещённого предмета к линзе идут лучи света. В линзе они преломляются и образуют на экране изображения соответствующих точек предмета. В результате каждая точка предмета будет изображена на экране также точкой, более или менее яркой. Такие «точечные» изображения и составят на экране изображение всего предмета.
Чтобы показать это на рисунке, нет необходимости изображать все лучи, исходящие из каждой точки предмета, да мы и не могли бы это сделать: ведь таких лучей бесчисленное множество. Вполне достаточно найти изображение только крайних точек предмета, например самой верхней и самой нижней. Изображения же всех остальных точек расположатся на экране между изображениями крайних.
На рисунке 19 схематически показано, как образуется изображение предмета.
Рис. 19. Как образуется изображение предмета.
Показаны две крайние точки предмета — верхняя и нижняя, лучи, идущие из этих точек, и изображения этих точек на экране. Изображения всех остальных точек располагаются между двумя крайними и в совокупности дают изображение всего предмета. При этом изображения предметов на экране получаются перевёрнутыми. Именно так и образуется изображение на задней стенке фотоаппарата (рис. 20).
Рис. 20. Так образуется изображение в фотоаппарате.
Если вы внимательно осмотрите объектив современного фотоаппарата, то увидите, что он состоит из нескольких линз. Собранные в одной общей оправе, они в сумме действуют подобно одной собирательной линзе. Для какой же цели объективы составляют из нескольких линз?
Хороший фотографический снимок должен быть прежде всего резким и в точности подобным сфотографированному предмету: прямые линии предмета должны быть прямыми и на снимке, круг должен быть кругом и т. д.
Но если ещё раз проделать описанный на стр. 5 опыт с лупой, то-есть получить с её помощью изображение окна на бумаге и внимательно рассмотреть его, то можно заметить, что изображение окна более или менее резко только в своей центральной части. По мере удаления от центра резкость изображения быстро падает, а на краях изображение становится уже совсем размазанным. Можно заметить также, что изображение окна не совсем правильно: прямые линии оконной рамы получаются не точно прямыми, а слегка изогнутыми. Таким нерезким и неточным получится и фотоснимок, если сделать его с помощью одной собирательной линзы.
Опыты показали, что эти недостатки изображения можно устранить, только соединяя вместе несколько линз, различных по форме и изготовленных из различных сортов стёкол.
Комбинации из нескольких линз применяются не только в фотографических объективах, но и в других точных оптических приборах: микроскопах, биноклях, телескопах— во всех случаях, когда требуется получить резкое и правильное изображение наблюдаемых предметов. Вот почему и в фотоаппаратах применяются объективы, состоящие из нескольких линз (от 4 до 8).
Объективы, дающие резкое и неискажённое изображение, называются анастигматами.