Оглавление

Введение...................................................................................................................3

Глава 1. Основные законы оптических явлений..................................................5

1. 
   Закон прямолинейного распространения света.............................5
   
2. 
   Закон независимости световых пучков..........................................6
   
3. 
   Закон отражения света................................................................6
   
4. 
   Закон преломления света.................................................................7
   

Глава 2. Идеальные оптические системы..............................................................9

Глава 3. Составляющие оптических систем.......................................................11

3.1 Диафрагмы и их роль в оптических системах.............................11

3.2 Входной и выходной зрачки.....................................................13

Глава 4. Современные оптические системы...................................................15

4.1 Оптическая система....................................................................15

4.2 Фотографический аппарат........................................................16

4.3 Глаз как оптическая система.....................................................17

Глава 5. Оптические системы, вооружающие глаз........................................20

5.1 Лупа............................................................................................22

5.2 Микроскоп..................................................................................23

5.3 Зрительные трубы.....................................................................25

5.4 Проекционные устройства........................................................26

5.5 Спектральные аппараты............................................................27

5.6 Оптический измерительный прибор.........................................28

Глава 6. Применение оптических систем в науке и технике..........................31

Заключение......................................................................................................35

Список литературы.........................................................................................36

Введение.

Оптика - раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле.

Оптика - это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10^-5-10^-7 м. Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 400-760 нм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом. Он ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. С точки зрения физики происходящих процессов выделение столь узкого спектра электромагнитных волн (видимого света) не имеет особого смысла, поэтому в понятие "оптический диапазон" включает обычно ещё и инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

Ограничение оптического диапазона условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины λ излучения, а так же использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача - математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью показателя преломления n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи происходят по заданному пути. Наибольшее значение геометрической оптики имеет для расчёта и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции, поляризации света и распространения в анизотропных средах.

Одна из важнейших традиционных задач оптики - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости решается главным образом геометрической оптикой с привлечением физической оптики. Геометрическая оптика дает ответ на вопрос, как следует строить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов с требуемыми свойствами, а также технологию обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют оптические элементы.

Глава 1. Основные законы оптических явлений.

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следующие четыре основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости световых пучков.

3. Закон отражения от зеркальной поверхности.

4. Закон преломления света на границе двух прозрачных сред.

Дальнейшее изучение этих законов показало, во-первых, что они имеют гораздо более глубокий смысл, чем может казаться с первого взгляда, и во-вторых, что их применение ограничено, и они являются лишь приближёнными законами. Установление условий и границ применимости основных оптических законов означало важный прогресс в исследовании природы света. Сущность этих законов сводится к следующему.

1.1 Закон прямолинейного распространения света.

В однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Закон этот встречается в сочинениях по оптике, приписываемых Евклиду и, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона могут служить наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Рис. 1 иллюстрирует получение изображения при помощи малого отверстия, причем форма и размер изображения показывают, что проектирование происходит при помощи прямолинейных лучей.

A B'

A'
B

200см 20см

Рис.1 Прямолинейное распространение света: получение изображения с помощью малого отверстия.

Закон прямолинейного распространения может считаться прочно установленном на опыте. Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому возникло из оптических наблюдений. Геометрическое понятие прямой как линии, представляющей кратчайшее расстояние между двумя точками, есть понятие о линии, по которой распространяется свет в однородной среде.

Более детальное исследование описываемых явлений показывает, что закон прямолинейного распространения света теряет силу, если мы переходим к очень малым отверстиям.

Так, в опыте, изображенном на рис. 1, мы получим хорошее изображение при размере отверстия около 0,5 мм. При последующем уменьшении отверстия - изображение будет несовершенным, а при отверстии около 0,5-0,1 мкм изображение совсем не получится и экран будет освещён практически равномерно.

1.2 Закон независимости световых пучков.

Световой поток можно разбить на отдельные световые пучки, выделяя их, например, при помощи диафрагм. Действие этих выделенных световых пучков оказывается независимым, т.е. эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены.

1.3 Закон отражения света.

Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения i равен углу отражения i'. Этот закон также упоминается в сочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированных металлических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху.


Рис. 2 Закон отражения.
Рис. 3 Закон преломления.

4. Закон преломления света.

Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела однородных изотропных прозрачных (не поглощающих) сред с показателем преломления n₁ и n₂. Преломление света определяется следующими двумя закономерностями : преломленный луч лежит в плоскости , проходящей через падающий луч и нормаль (перпендикуляр) к поверхности раздела; углы падения φ и преломления χ (рис.3) связаны законом преломления Снелля :


sinφ

sinχ


n₁sinφ = n₂sinχ или = n
где n – постоянная , не зависящая от углов φ и χ. Величина n – показатель преломления, определяется свойствами обеих сред, через границу раздела которых проходит свет, и зависит также от цвета лучей.

Преломление света сопровождается также отражением света. На рис. 3 ход лучей света при преломлении на плоской поверхности , разделяющей две прозрачные среды. Пунктиром обозначен отраженный луч. Угол преломления χ больше угла падения φ; это указывает, что в данном случае происходит преломление из оптически более плотной первой среды в оптически менее плотную вторую (n₁ > n₂), n – нормаль к поверхности раздела.

Явление преломления света было известно уже Аристотелю. Попытка установить количественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г. н.э.), который предпринял измерение углов падения и преломления.

Закон отражения и закон преломления также справедливы лишь при соблюдении известных условий. В том случае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, мал , мы наблюдаем заметные отступления от указанных выше законов. Однако для обширной области явлений, наблюдаемые в обычных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго.

Глава 2. Идеальные оптические системы.

Гаусс (1841 г.) дал общую теорию оптических систем, получившую дальнейшее развитие в трудах многих математиков и физиков.

Теория Гаусса есть теория идеальной оптической, системы, т.е. системы, в которой сохраняется гомоцентричность пучков и изображение геометрически подобно предмету. Согласно этому определению всякой точке пространства объектов соответствует в идеальной системе точка пространства изображений ; эти точки носят название сопряженных. Точно так же каждой прямой или плоскости пространства объектов должна соответствовать сопряженная прямая или плоскость пространства изображений. Таким образом, теория идеальной оптической системы есть чисто геометрическая теория, устанавливающая соотношение между точками, линиями , плоскостями.

Идеальная оптическая система может быть осуществлена с достаточным приближением в виде центрированной оптической системы , если ограничиться областью вблизи оси симметрии, т.е. параксиальными пучками. В теории Гаусса требование «тонкости» системы отпадает , но лучи по-прежнему предполагаются параксиальными. Разыскание оптической системы , которая приближалась бы к идеальной даже при пучках значительного раскрытия, есть такая задача прикладной геометрической оптики.

Линия, соединяющая центры сферических поверхностей , представляет собой ось симметрии центрированной системы и называется главной оптической осью системы. Теория Гаусса устанавливает ряд так называемых точек и плоскостей , задание которых полностью описывает все свойства оптической системы и позволяет пользоваться ею , не рассматривая реального хода лучей в системе.


F₁ Q₁ H₁ H₂ Q₂ F₂



M N

A₁ B₁ R₁ R₂ B₂ A₂

G₁ G₂

O₁ P₁ P₂ O₂


Рис. 4. Главные оптические плоскости H₁R₁ и H₂R₂ и фокусы F₁ и F₂ оптической системы.


Пусть ММ и NN – крайние сферические поверхности , ограничивающие систему, и ОО₁ – ее главная ось (рис. 4 ). Проведем луч А₁В₁ , параллельный О₁О₂; точка В₁ есть место входа этого луча в систему. Согласно свойству идеальной системы лучу А₁В₁ соответствует в пространстве изображений сопряженный луч G₂F₂, выходящий из системы в точке G₂ . Как идет луч внутри системы нас не интересует . Второй луч P₁Q₁ выберем вдоль главной оси. Сопряженный ему луч Q₂P₂ будет также идти вдоль главной оси . Точка F₂ как пересечение двух лучей G₂F₂ и Q₂P₂ есть изображение точки , в которой пересекаются лучи А₁В₁ и P₁Q₁ , сопряженные с G₂F₂ и Q₂P₂ . Но так как А₁В₁ P₁Q₁ , то точка, сопряженная с F₂ , лежит в бесконечности. Таким образом , F₂ есть фокус (второй , или задний) системы. Плоскость, проходящая через фокус перпендикулярно к оси , носит название фокальной.

Любая точка линии H₁R₁ сопряжена с точкой линии H₂R₂ , лежащей на такой же высоте от О₁О₂ , как и выбранная . То же относится и к плоскостям, проведенным через H₁R₁ и H₂R₂ . перпендикулярно к главной оси , т.к. вся система симметрична относительно оси. Плоскость H₁R₁ , изображается на H₂R₂ прямо и в натуральную величину. Такие плоскости называются главными плоскостями.

Таким образом, идеальная оптическая система обладает главными плоскостями. Точки H₁ и H₂ пересечения главных плоскостей с осью носят название главных точек системы. Расстояния от главных точек до фокусов называются фокусным расстоянием системы f₁ = H₁R₁ и f₂ = H₂R₂ .

Глава 3. Составляющие оптических систем.

Реальные оптические системы дают удовлетворительное изображение только при известном ограничении ширины действующих пучков лучей. Но даже и для идеальных систем, которые могли бы давать правильные изображения плоского предмета при любом угле раскрытия пучков, их ограничение имеет существенное значение.

3.1 Диафрагмы и их роль в оптических системах.

Диафрагма – непрозрачная преграда , ограничивающая поперечное сечение световых пучков в оптических системах (в телескопах, дальномерах , микроскопах, кино- и фотоаппаратах и т.д.). роль диафрагм часто играют оправы линз, призм, зеркал, и других оптических деталей, зрачок глаза, границы освещенного предмета, в спектроскопах – щели.

Любая оптическая система – глаз вооруженный и невооруженный, фотографический аппарат, проекционный аппарат – в конечном счете рисует изображение на плоскости (экран, фотопластинка, сетчатка глаза); объекты же в большинстве случаев трёхмерны. Однако даже идеальная оптическая система, не будучи ограниченной, не давала бы изображений трехмерного объекта на плоскости. Действительно, отдельные точки трехмерного объекта находятся на различных расстояниях от оптической системы, и им соответствуют различные сопряженные плоскости.

Светящаяся точка О (рис. 5) дает резкое изображение О` в плоскости ММ<sub>1</sub> сопряженной с ЕЕ. Но точки А и В дают резкие изображения в A` и B`, а в плоскости ММ проектируются светлыми кружками, размер которых зависит от ограничения ширины пучков. Если бы система не была ничем не ограниченна , то пучки от А и В освещали бы плоскость ММ равномерно, от есть не получилось бы никакого изображения предмета, а лишь изображение отдельных точек его, лежащих в плоскости ЕЕ.

Рис. 5 Влияние диафрагмы на глубину резкого изображения.


Чем уже пучки тем, тем отчетливее изображение пространства предмета на плоскости. Точнее, на плоскости изображается не сам пространственный предмет, а та плоская картина, которая является проекцией предмета на некоторую плоскость ЕЕ (плоскость установки), сопряженную относительно системы с плоскостью изображения ММ. Центром проекции служит одна из точек системы (центр входного зрачка оптического инструмента ).

Размеры и положение диафрагмы определяют освещенность и качество изображения, глубину резкости и разрешающую способность оптической системы, поле зрения.

Диафрагма наиболее сильно ограничивающая световой пучок , называется апертурной или действующей. Её роль может выполнять оправа какой-либо линзы или специальная диафрагма ВВ, если эта диафрагма сильнее ограничивает пучки света, чем оправы линз.





P Q₁ P₂


Q Q₂

L₁


L₂


Рис. 6. ВВ – апертурная диафрагма; В₁В₁ – входной зрачок; В₂В₂ – выходной зрачок.

Апертурная диафрагма ВВ нередко располагается между отдельными компонентами (линзами) сложной оптической системы (рис.6), но её можно поместить и перед системой или после её.

Если ВВ - действительная апертурная диафрагма (рис. 6) ,а В₁В₁ и В₂В₂ - её изображения в передней и задней частях системы , то все лучи , прошедшие через ВВ, пройдут через В₁В₁ и В₂В₂ и на оборот , т.е. любая из диафрагм ВВ, В₁В₁, В₂В₂ ограничивает активные пучки.

3.2 Входной и выходной зрачки.

Входным зрачком называется то из действительных отверстий или их изображений, которое сильнее всего ограничивает входящий пучок, т.е. видно под наименьшим углом из точки пересечения оптической оси с плоскостью предмета.

Выходным зрачком называется отверстие или его изображение, ограничивающее выходящий из системы пучок. Входной и выходной зрачки являются сопряженными по отношению ко всей системе.

Роль входного зрачка может играть то или иное отверстие или его изображение (действительное или мнимое). В некоторых важных случаях изображаемый предмет есть освещенное отверстие (например, щель спектрографа), причем освещение обеспечивается непосредственно источником света, расположенным недалеко от отверстия, или при помощи вспомогательного конденсора. В таком случае в зависимости от расположения роль входного зрачка может играть граница источника или его изображения, или граница конденсора и т.д.

Если апертурная диафрагма лежит перед системой , то она совпадает с входным зрачком, а выходным зрачком явится её изображение в этой системе . Если она лежит сзади системы, то она совпадает с выходными зрачком, а входным зрачком явится её изображение в системе. Если апертурная диафрагма ВВ лежит внутри системы (рис. 6) , то её изображение В₁В₁ в передней части системы служит входным зрачком , а изображение В₂В₂ в задней части системы – выходным. Угол, под которым виден радиус входного зрачка из точки пересечения оси с плоскостью предмета, называется «апертурным углом», а угол , под которым виден радиус выходного зрачка из точки пересечения оси с плоскостью изображения, есть угол проекции или выходной апертурный угол.

Глава 4. Современные оптические системы.

4.1 Оптическая система.

Тонкая линза представляет простейшую оптическую систему. Простые тонкие линзы применяются главным образом в виде стекол для очков. Кроме того, общеизвестно применение линзы в качестве увеличительного стекла.

Д
ГлОО
ействие многих оптических приборов – проекционного фонаря, фотоаппарата и других приборов - может быть схематически уподоблено действию тонких линз. Однако тонкая линза дает хорошее изображение только в том сравнительно редком случае , когда можно ограничиться узким одноцветным пучком, идущим от источника вдоль главной оптической оси или под большим углом к ней. В большинстве же практических задач, где эти условия не выполняются, изображение , даваемое тонкой линзой , довольно не совершенно. Поэтому в большинстве случаев прибегают к построению более сложных оптических систем , имеющих большое число преломляющих поверхностей и не ограниченных требованием близости этих поверхностей (требование , которому удовлетворяет тонкая линза ).


ГлОО

Рис. 7. Классификация линз и особенности преломления лучей : а - собирающая линза ;

б - рассеивающая линза.

4.2 Фотографический аппарат.

О
А
птический прибор , предназначенный для получения фотографических снимков находящихся перед ним предметов, называют фотографическим аппаратом. Он состоит из светопроницаемой камеры К (рис. 8 ) с подвижной передней стенкой, в которой находится объектив.


В

А

А₁

В₁

К

Рис. 8. Схема фотоаппарата.


При фотографировании предмета АВ сначала с по­мощью перемещения объ­ектива на задней стенке аппарата получают резкое изображение предмета A₁B₁. Затем объектив закрывается и на зад­ней стенке фотоаппарата помещается пластинка или пленка П, покрытая светочувствительным слоем. Затем объектив открывается на определенное время, называемое выдержкой. При этом на светочувствительном слое под действием света происходит химиче­ская реакция и возникает скрытое изображение предмета.

После проявления и закрепления с помощью специальных со­ставов изображение на пластинке или пленке становится видимым. На полученном изображении светлые места предметов оказываются темными, а темные — светлыми и прозрачными, поэтому такое изоб­ражение называют негативом. Для получения обыкновенно­го фотоснимка, который называют позитивом, на негатив накладывают светочувствительную бумагу и освещают его так, чтобы лучи попадали на бумагу сквозь негатив. Через некоторое время на бумаге возникают скрытое изображение предмета. После проявления и закрепления на ней получается уже обычная фотогра­фия предмета. С одного негатива можно получить много позитивов, т. е. фотоснимков.

Для « засвечивания » фотобумаги обычно используют фотоувеличитель (рис. 9).

4.3 Глаз как оптическая система.

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют со­бой весьма совершенную оптическую систему.



В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром око­ло 2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис.10). Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть — роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против ро­говицы сосудистая оболоч­ка переходит в радуж­ную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы каме­рой с прозрачной водяни­стой массой.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие,

называемое зрачком, диаметр которого может из­меняться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при сла­бом освещении — увеличивается. Внутри глазного яблока за ра­дужной оболочкой расположен хрусталик, который представ­ляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольце­вая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва , особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку , на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке . вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе 6 м от глаза. Изображение более близких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для получения отчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всё сильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом, «наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него , называют аккомодацией ( от латинского «аккомодацио» – приспособление). При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. В этом случае говорят , что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодация глаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает , а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркости наблюдаемых объектов называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз на определенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предмета на другой между осями глаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильно определять положение предмета. Когда предметы находятся очень далеко , то оси глаз располагаются параллельно , и человек не может даже определить , движется предмет или нет, на который он смотрит. Некоторую роль в определении положения тел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик при рассматривании предметов , расположенных недалеко от человека.

Глава 5. Оптические системы, вооружающие глаз.

Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу , в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления , т.е. точку, играющую роль оптического центра. Оптический центр глаза находится внутри хрусталика вблизи задней поверхности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм.

Зная положение оптического центра, можно легко построить изображение какого-либо предмета на сетчатой оболочке глаза. Изображение всегда действительное, уменьшенное и обратное (рис.11,а). Угол φ , под которым виден предмет S₁S₂ из оптического центра О , называется углом зрения.

Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их изображение на сетчатке попадают в один и тот же элемент, воспринимаются глазом, как одна точка . Минимальный угол зрения, под которым две светящихся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом ещё раздельно , составляет приблизительно одну минуту. Глаз плохо распознает детали предмета, которые он видит под углом менее 1". Это угол , под которым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 см от глаза. При плохом освещении ( в сумерках ) минимальный угол разрешения повышается и может дойти до 1º.







Рис. 11. Коррекция изображения рассматриваемых предметов : а - угол зрения φ = S₁' S₂' / h = S₁ S₂ / D;

б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке;

N = b' / b = φ' / φ.
a) b)


Приближая предмет к глазу , мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения . для близорукого глаза это расстояние несколько меньше . поэтому близорукие люди , помещая рассматриваемый предмет ближе к глазу, чем люди с нормальным зрением или дальнозоркие, видят его под большим углом зрения и могут лучше различать мелкие детали.

Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы , вооружающие глаз, можно разбить на следующие большие группы.

1. 
   Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти приборы как бы «увеличивают» рассматриваемые предметы.
   
2. 
   Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.) . эти приборы как бы «приближают» рассматриваемые предметы.
   

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и , следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Отношение длины b на сетчатке в случае вооруженного глаза b' к длине изображения для невооруженного глаза b (рис.11,б) называется увеличением оптического прибора.

С помощью рис. 11,б легко видеть , что увеличение N равно также отношению угла зрения φ' при рассматривании предмета через инструмент к углу зрения φ для невооруженного глаза, ибо φ' и φ невелики. Итак,
N = b' / b = φ' / φ ,

где N – увеличение предмета ;

b' – длина изображения на сетчатке для вооруженного глаза;

b - длина изображения на сетчатке для невооруженного глаза;

φ' – угол зрения при рассматривании предмета через оптический инструмент;

φ – угол зрения при рассматривании предмета невооруженным глазом.

5.1 Лупа.

Одним из простейших оптических приборов является лупа – собирающая линза, предназначенная для рассматривания увеличенных изображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, а предмет помещают между линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета . Удобнее всего рассматривать предмет через лупу совершенно ненапряженным глазом , аккомодированным на бесконечность. Для этого предмет помещают в главной фокальной плоскости линзы так , что лучи, выходящие из каждой точки предмета , образуют за линзой параллельные пучки. На рис. 12 изображено два таких пучка , идущих от краев предмета. Попадая в аккомодированный на бесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируются на ретине и дают здесь отчетливое изображение предмета.
У
гловое увеличение. Глаз находится очень близко к линзе , поэтому за угол зрения можно принять угол 2γ , образованный лучами, идущими от краев предмета через оптический центр линзы. Если бы лупы не было , нам пришлось бы поставить предмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и угол зрения был бы равен 2β . Рассматривая прямоугольные треугольники с катетами 25 см и F см и обозначая половину предмета Z , можем написать :

,

где 2γ – угол зрения, при наблюдении через лупу;

2β - угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;

F – расстояние от предмета до лупы;

Z – половина длины рассматриваемого предмета.

Принимая во внимание , что через лупу рассматривают обычно мелкие детали и поэтому углы γ и β малы, можно тангенсы заменить углами. Таким образом получится следующее выражение для увеличения лупы = = .

Следовательно, увеличение лупы пропорционально 1 / F , то есть её оптической силе.

5.2 Микроскоп.

Прибор, позволяющий получить большое увеличение при рассматривании малых предметов, называется микроскопом.

Простейший микроскоп состоит из двух собирающих линз. Очень короткофокусный объектив L₁ даёт сильно увеличенное действительное изображение предмета P'Q' (рис. 13), которое рассматривается окуляром, как лупой.


Рис. 13. Схема простейшего микроскопа.



Обозначим линейное увеличение , даваемое объективом, через n₁, а окуляром через n₂, это значит , что = n₁ и = n₂,

где P'Q' – увеличенное действительное изображение предмета;

PQ – размер предмета;

P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета;

n₁ – линейное увеличение объектива;

n
P''Q''

PQ
₂ – линейное увеличение окуляра.

Перемножив эти выражения , получим = n₁ n₂ ,

где PQ – размер предмета;

P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета;

n₁ – линейное увеличение объектива;

n₂ – линейное увеличение окуляра.

Отсюда видно , что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром в отдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие очень большие увеличения – до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив и окуляр - сложные.

Окуляр обычно состоит из двух линз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие увеличения заставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой оптической силой. Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и дает широкий пучок лучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким образом , создаются очень невыгодные условия для получения резкого изображения: толстые линзы и нецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных недостатков приходится прибегать к комбинациям из многих линз различных сортов стекла.

В современных микроскопах теоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можно и очень малые объекты , но их изображения представляются в виде маленьких пятнышек, не имеющих никакого сходства с объектом.

При рассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым ультрамикроскопом, который представляет собой обычный микроскоп с конденсором, дающим возможность интенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку, перпендикулярно оси микроскопа.

С помощью ультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы , размер которых не превышает миллимикронов.

5.3 Зрительные трубы.

Простейшая зрительная труба состоит из двух собирающих линз. Одна линза, обращенная к рассматриваемому предмету, называется объективом , а другая , обращенная к глазу наблюдателя - окуляром.

Х
L₁

L₂
од лучей в зрительной трубе показан на рис. 14.


β

F

P

Q

Q₁

P₁

γ


О
Рис. 14. Ход лучей в зрительной трубе.

бъектив L₁ дает действительное обратное и сильно уменьшенное изображение предмета P¹Q¹ , лежащее около главного фокуса объектива. Окуляр помещают так , чтобы изображение предмета находилось в его главном фокусе. В этом положении окуляр играет роль лупы, при помощи которой рассматривается действительное изображение предмета.

Д








2β


2γ





2β


F


Z'






F'


Рис. 15. Угловое увеличение зрительной трубы.

ействие трубы , так же как и лупы, сводится к увеличению угла зрения.
При помощи трубы обычно рассматривают предметы, находящиеся на расстояниях , во много раз превышающих её длину. Поэтому угол зрения, под которым предмет виден без трубы, можно принять угол 2β, образованный лучами, идущими от краев предмета через оптический центр объектива.

Изображение видно под углом 2γ и лежит почти в самом фокусе F объектива и в фокусе F₁ окуляра.

Рассматривая два прямоугольных треугольника с общим катетом Z' , можем написать:

,

где 2γ - угол под которым видно изображение предмета;

2β - угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом;

F - фокус объектива;

F₁ - фокус окуляра;

Z' - половина длины рассматриваемого предмета

Углы β и γ -не велики, поэтому можно с достаточным приближением заменить tgβ и tgγ углами и тогда увеличение трубы =,

где 2γ - угол под которым видно изображение предмета;

2β - угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом;

F - фокус объектива;

F₁ - фокус окуляра.

Угловое увеличение трубы определяется отношением фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра . Чтобы получить большое увеличение , надо брать длиннофокусный объектив и короткофокусный окуляр.

5.4 Проекционные устройства.

Для показа зрителям на экране увеличенного изображения рисунков, фотоснимков или чертежей применяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле или на прозрачной пленке называют диапозитивом, а сам аппарат , предназначенный для показа таких рисунков, - диаскопом. Если аппарат предназначен для показа непрозрачных картин и чертежей , то его называют эпископом. Аппарат , предназначенный для обоих случаев называется эпидиаскопом.

Линзу , которая создает изображение находящегося перед ней предмета, называют объективом. Обычно объектив представляет собой оптическую систему, у которой устранены важнейшие недостатки, свойственные отдельным линзам. Чтобы изображение предмета на было хорошо видно зрителям, сам предмет должен быть ярко освещен. Схема устройства проекционного аппарата показана на рис.16.


Источник света S помещается в центре вогнутого зеркала (рефлектора) Р. свет идущий непосредственно от источника S и отраженный от рефлектора Р, попадает на конденсор К, который состоит из двух плосковыпуклых линз. Конденсор собирает эти световые лучи на объективе О, который уже направляет их на экран Э, где получается изображение диапозитива Д. Сам диапозитив помещается между главным фокусом объектива и точкой, находящейся на расстоянии 2F от объектива. Резкость изображения на экране достигается перемещением объектива, которое часто называется наводкой на фокус.

5.5 Спектральные аппараты.

Для наблюдения спектров пользуются спектроскопом. Наиболее распространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трехгранную призму ( рис. 17).


В трубе А , называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается в фокальной плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму , световые лучи направляются в трубу В , через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен для измерений , то на изображение спектра с помощью специального устройства накладывается изображение шкалы с делениями , что позволяет точно установить положение цветовых линий в спектре.

При исследовании спектра часто бывает целесообразней сфотографировать его , а затем изучать с помощью микроскопа.

Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом. Схема спектрографа показана на рис. 18. Спектр излучения с помощью линзы Л₂ фокусируется на матовое стекло АВ, которое при фотографировании заменяют фотопластинкой.

5.6 Оптический измерительный прибор.

Оптический измерительный прибор - средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы оптических измерительных приборов : приборы с оптическим принципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измерительным прибором, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.

Из приборов первой распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры.

Наиболее распространенный прибор второй - универсальный измерительный микроскоп, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп - на поперечной.

Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерками или шкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группе приборов относятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр, оптический дальномер и др.).

Оптические измерительные приборы также широко распространены в геодезии (нивелир, теодолит и др.).

Теодолит - геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах, топографической и маркшейдерских съемках, в строительстве и т.п.

Нивелир - геодезический инструмент для измерения превышений точек земной поверхности - нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных и т.п. работах.

В навигации широко распространён секстант - угломерный зеркально-отражательный инструмент для измерения высот небесных светил над горизонтом или углов между видимыми предметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшая особенность секстанта - возможность совмещения в поле зрения наблюдателя одновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяет пользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного снижения точности даже во время качки.

Перспективным направлением в разработке новых типов оптических измерительных приборов является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчет показаний и визирования, и т.п.
Глава 6. Применение оптических систем в науке и технике.

Применение , а так же роль оптических систем в науке и технике очень велико. Не изучая оптические явления и не развивая оптические инструменты человечество не было бы на столь высоком уровне развития техники.

Почти все современные оптические приборы предназначены для непосредственного визуального наблюдения оптических явлений.

Законы построения изображения служат основой для построения разнообразных оптических приборов. Основной частью любого оптического прибора является некоторая оптическая система. В одних оптических приборах изображение получается на экране, другие приборы предназначены для работы с глазом . в последнем случае прибор и глаз представляют как бы единую оптическую систему и изображение получается на сетчатой оболочке глаза.

Изучая некоторые химические свойства веществ, ученые изобрели способ закрепления изображения на твердых поверхностях, а для проецирования изображений на эту поверхность стали использовать оптические системы, состоящие из линз. Таким образом, мир получил фото- и киноаппараты, а с последующим развитием электроники появились видео- и цифровые камеры.

Для исследования малых объектов , практически незаметных глазу используют лупу, а если её увеличения не достаточно , тогда применяют микроскопы. Современные оптические микроскопы позволяют увеличивать изображение до 1000 раз, а электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Это даёт возможность исследовать объекты на молекулярном уровне.

Современные астрономические исследования не были бы возможными без «трубы Галилея» и «трубы Кеплера». Труба Галилея , нередко применяемая в обычном театральном бинокле, даёт прямое изображение предмета, труба Кеплера - перевернутое. Вследствие этого , если труба Кеплера должна служить для земных наблюдений , то её снабжают оборачивающей системой (дополнительной линзой или системой призм ) , в результате чего изображение становится прямым. Примером подобного прибора может служить призменный бинокль.

Преимуществом трубы Кеплера является то , что в ней имеется дополнительное промежуточное изображение , в плоскость которого можно поместить измерительную шкалу, фотопластинку для производства снимков и т.п. Вследствие этого в астрономии и во всех случаях, связанных с измерениями, применяется труба Кеплера.

Наряду с телескопами, построенными по типу зрительной трубы - рефракторами, весьма важное значение в астрономии имеют зеркальные ( отражательные ) телескопы, или рефлекторы.


Рис. 19. Телескопы : а - телескопы рефлекторы ; б - телескоп - рефрактор

а)


б)

Возможности наблюдения , которые даёт каждыё телескоп, определяются диаметром его отверстия. Поэтому с давних времен научно техническая мысль направлена на отыскание способов изготовления больших зеркал и объективов.

С постройкой каждого нового телескопа расширяется радиус наблюдаемой нами Вселенной.

Зрительное восприятие внешнего пространства является сложным действием , в котором существенным обстоятельством является то, что в нормальных условиях мы пользуемся двумя глазами. Благодаря большой подвижности глаз мы быстро фиксируем одну точку предмета за другой; при этом мы можем оценивать расстояние до рассматриваемых предметов, а также сравнивать эти расстояния между собой. Такая оценка даёт представление о глубине пространства, об объемном распределении деталей предмета, делает возможным стереоскопическое зрение.


Рис. 20. Схема стереоскопа.


Стереоскопические снимки 1 и 2 рассматриваются с помощью линз L₁ и L₂ , помещенных каждая перед одним глазом. Снимки располагаются в фокальных плоскостях линз, и следовательно, их изображения лежат в бесконечности. Оба глаза аккомодированы на бесконечность. Изображения обоих снимков воспринимаются как один рельефный предмет, лежащий в плоскости S.

Стереоскоп в настоящее время широко применяется для изучения снимков местности. Производя фотографирование местности с двух точек, получают два снимка , рассматривая которые в стереоскоп можно ясно видеть рельеф местности. Большая острота стереоскопического зрения даёт возможность применять стереоскоп для обнаружения подделок документов, денег и т.п.

В военных оптических приборах , предназначенных для наблюдений (бинокли, стереотрубы ), расстояния между центрами объективов всегда значительно больше, чем расстояние между глазами, и удаленные предметы кажутся значительно более рельефными , чем при наблюдении без прибора.

Изучение свойств света, идущего в телах с большим показателем преломления привело к открытию полного внутреннего отражения. Это свойство широко применяется при изготовлении и использовании оптоволокна. Оптическое волокно позволяет проводить любое оптическое излучение без потерь. Использование оптоволокна в системах связи позволило получить высокоскоростные каналы для получения и отправки информации.

Полное внутреннее отражение позволяет использовать призмы вместо зеркал. На этом принципе построены призматические бинокли и перископы.



Рис. 21. Схема перископа.

Перископы широко применяются в подводных кораблях, а также в военных оптических приборах.




Использование лазеров и систем фокусоровки позволяет фокусировать лазерное излучение в одной точке, что применяется в резке различных веществ, в устройствах для чтения и записи компакт-дисков, в лазерных дальномерах.

Оптические системы широко распространены в геодезии для измерения углов и превышений (нивелиры, теодолиты, секстанты и др.).

Использование призм для разложения белого света на спектры привело к созданию спектрографов и спектроскопов. Они позволяют наблюдать спектры поглощений и испусканий твердых тел и газов. Спектральный анализ позволяет узнать химический состав вещества.

Использование простейших оптических систем – тонких линз, позволило многим людям с дефектами зрительной системы нормально видеть (очки, глазные линзы и т.д.).

Благодаря оптическим системам было произведено много научных открытий и достиженй.

Оптические системы используются во всех сферах научной деятельности, от биологии до физики. Поэтому, можно сказать , что сфера применения оптических систем в науке и технике – безгранична.

Заключение.

Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений , происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино , телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы , связанные со зрением.

Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно , что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

Список литературы.

1. 
   Арцыбышев С.А. Физика - М.: Медгиз, 1950. - 511с.
   
2. 
   Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений - М.: Наука, 1981. - 560с.
   
3. 
   Ландсберг Г.С. Оптика - М.: Наука, 1976. - 928с.
   
4. 
   Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. - 656с.
   
5. 
   Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1974. - Т.18. - 632с.
   
6. 
   Сивухин Д.В. Общий курс физики : Оптика - М.: Наука, 1980. - 751с.