Геометрическая оптика

      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

 

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.

 

 

 

 

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. Действие 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 ).  

 

4.2 Фотографический  аппарат.

 

Оптический прибор , предназначенный  для получения фотографических

снимков находящихся перед ним  предметов, называют фотографическим

аппаратом. 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

 

 

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 ? , 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 черны е 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 1є.  Приближая предмет к глазу , мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу   риблизить 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  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.

5.2 Микроскоп.

Прибор, позволяющий получить большое увеличение при рассматривании малых предметов, называется микроскопом. Простейший микроскоп состоит из двух собирающих линз. Очень короткофокусный объектив   даёт сильно увеличенное действительное изображение предмета , которое рассматривается окуляром, как лупой. 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 

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. 

5.5 Спектральные  аппараты.

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

 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. 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.    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.  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.