Опти́ческая ли́нза, прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями, преломляющими световые лучи, способное формировать оптические изображения предметов. Линза является одним из основных элементов оптических систем. Наиболее часто используются оптические линзы, поверхности которых имеют общую ось симметрии и сферическую форму, реже – цилиндрическую, конусообразную и другие формы. Для видимой области оптического спектра линзы изготавливают из оптического или органического стекла, для УФ-диапазона – из кварца, флюорита, для ИК-диапазона – из стекла специального сорта, германия, сапфира и др.

Схема формирования изображения в линзе.Схема формирования изображения в линзе.При анализе оптических свойств линзы обычно рассматривают параксиальный световой пучок, распространяющийся под малым углом к оси. Ход параксиальных лучей обусловлен положением кардинальных точек линзы – главных точек и главных фокусов линзы (см. рис.). Главные точки $H$ и $H'$ определяются пересечением оси с главными плоскостями, представляющими собой сопряжённые плоскости, взаимное изображение которых оптическая система даёт без увеличения. Главные фокусы $F$ и $F'$ являются изображениями точек, лежащих на оси по обе стороны линзы и бесконечно удалённых от неё. Отрезки $HF = f$ и $H'F' = f'$ – фокусные расстояния. Если направление фокусного расстояния совпадает с направлением лучей света, фокусное расстояние считается положительным; если направления противоположны – отрицательным (на рисунке $f < 0$, а $f' > 0$). Если среды по обе стороны линзы имеют одинаковый показатель преломления, то $| f | = | f'|$. Точки пересечения $О$ и $О'$ поверхностей линзы с осью называются вершинами, а расстояние $d$ между ними – толщиной линзы.

Преломляющие свойства оптической линзы зависят от радиусов кривизны сферических поверхностей $r_1$, $r_2$, толщины $d$ линзы и показателя преломления $n$ материала, из которого она изготовлена. Линза называется тонкой, если $d << r_1$ и $d << r_2$. Мерой преломляющего действия линзы служит её оптическая сила $Ф =1/f'$, измеряемая в диоптриях (м^-1):

$\displaystyleФ = \left(n\ -1\right) \left(\frac{1}{r_1}\ -\ \frac{1}{r_2}\right)\ +\ \frac{\left(n\ -\left.1\right)^2\ d\right.}{nr_1r_2}$.

Линза, преобразующая параллельный световой пучок в сходящийся, называется собирающей (положительной, $Ф > 0$); после прохождения такой линзы параллельные лучи пересекаются в главном фокусе $F'$. Линза, преобразующая параллельный пучок в расходящийся, называется рассеивающей (отрицательной, $Ф < 0$); после её прохождения параллельные лучи не пересекаются, но в главном фокусе $F$, лежащем в области распространения параллельного пучка, пересекаются их продолжения. Существуют линзы, называемые афокальными, после прохождения которых параллельный пучок остаётся параллельным. Положительные линзы дают действительные изображения предметов, находящихся до переднего фокуса линзы (левее $F$), и всех мнимых объектов, находящихся за линзой. Рассеивающие линзы дают прямое уменьшенное мнимое изображение объектов, расположенных между линзой и её передним фокусом. Взаимное положение предмета и изображения, а также увеличение линзы $Г$ определяются по формулам:

 $\displaystyle\frac{f}{a}\ +\ \frac{f'}{b} =1,$

$\displaystyleГ = \frac{l'}{l} = - \frac{f}{a -f}.$

Здесь $a$ и $b$ – расстояния от главных точек до предмета и изображения соответственно, $l$ и $l'$ – размеры предмета и изображения.

Тонкие линзы, играющие роль фазовых корректоров, используются для преобразования когерентных световых пучков. При прохождении когерентного пучка через тонкую линзу к распределению его фазы добавляется составляющая, являющаяся функцией удаления от оси. Распределение комплексной амплитуды поля в фокальной плоскости линзы с точностью до фазового множителя является фурье-образом распределения амплитуды поля перед линзой. Такие линзы широко используются в системах пространственной фильтрации излучения.

Обычные линзы обладают рядом недостатков, не позволяющих получать высококачественные изображения. Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями; главными из них являются сферическая и хроматическая аберрации. Существуют и другие типы аберраций – коматическая аберрация (или кома), дисторсия, астигматизм и кривизна поля изображения. Особенно важно учитывать аберрации при использовании широкополосных световых пучков. Для исправления сферической и коматической аберраций комбинируют линзы различной формы и из материалов с различной дисперсией.

Для повышения качества линз на них часто наносят разнообразные покрытия. Часто используется просветляющее покрытие, которое также называют антибликовым. Оно увеличивает прозрачность линзы, снижает отражаемость (способность отражать свет) её поверхности. Как правило, покрытие наносится как на внешнюю, так и на внутреннюю сторону линзы. Нанесение в несколько слоёв позволяет снизить отражаемость до 1 %.

Для защиты поверхности линз от прилипания грязи, жира, а также от следов воды применяются грязе- и водоотталкивающие покрытия, которые особенно востребованы для защиты стёкол очков. Этот эффект достигается за счёт уменьшения смачиваемости поверхности очковых линз.

Существует также потребность в использовании упрочняющих (абразивоустойчивых) покрытий. Линзы с покрытием такого типа способны эффективнее противостоять царапинам и другим повреждениям, чем линзы без покрытия. Особенно это актуально для полимерных линз, т. к. они имеют более низкую плотность, чем линзы, изготовленные из минералов, и больше подвержены механическим воздействиям.

Важную роль играют и антистатические покрытия линз. Они нейтрализуют статическое электричество на поверхности линзы, притягивающее пыль. Такое покрытие упрощает уход за линзами, а также обеспечивает чёткое и ясное изображение.

Существуют и многофункциональные покрытия, которые обладают несколькими или всеми перечисленными свойствами, т. е. они могут защищать линзы одновременно от царапин, грязи, отражённого света и пыли.