Come fa una lente a mettere a fuoco la luce?

Le lenti ottiche standard fanno uso della rifrazione, o la piegatura della luce all'interfaccia tra due mezzi come l'aria e il vetro. La rifrazione è descritta matematicamente dalla legge di Snell.

La luce si propaga alla velocità della luce nel vuoto (e approssimativamente alla stessa velocità nell'aria), ma più lentamente in mezzi ottici densi come l'acqua o il vetro. L'indice di rifrazione è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità all'interno del mezzo. L'indice di rifrazione del vetro è circa 1,7.

Quando un fronte d'onda planare entra nel vetro con un angolo, il fronte d'onda all'interno del vetro viene rallentato rispetto al fronte d'onda ancora fuori, cambiandone la direzione. Quindi la rifrazione dipende dall'indice di rifrazione e dall'angolo di incidenza tra la direzione della luce e la superficie del mezzo.

Le lenti sfruttano questo effetto scegliendo una geometria che piega la luce di una quantità desiderata, a seconda di dove la luce la colpisce. Nel caso più semplice si desidera focalizzare un'onda piana su un punto focale. In questo caso si vorrebbe che il raggio che colpisce il centro della lente non si pieghi affatto, e che i raggi ad una certa distanza dal centro si pieghino di più all'aumentare della distanza dal centro. Una lente sferica risulta essere una buona approssimazione della geometria per formare un fuoco perfetto.