На рис. 22 представлені найпростіші профілі скляних лінз: плоско-опукла, двоопуклої (рис. 22, б), Плоско-увігнута (рис. 22, в) І Двояковогнутая (рис. 22, г). Перші дві з них в повітрі є які збирають   лінзами, а другі дві - розсіюючими. Ці назви пов'язані з тим, що в збирає лінзі промінь, заломлюючись, відхиляється в бік оптичної осі, а в розсіює навпаки.

Зворотні образи, що утворюються на сітківці, передаються зоровим нервом в мозок, який відповідає за їх інтерпретацію. Модель очі. Для фізика очей може бути змодельований сходящейся тонкої лінзою змінного фокусної відстані, розміщеної на фіксованій відстані близько 15 мм від екрану. Діафрагма обмежує просторове розширення світлового пучка, що проникає в зменшений очей. Діафрагма  зіницю Конвергентний об'єктив  кристалічний екран  сітківка Для нормального ока він розташований приблизно на 25 см перед оком.

Промені, що йдуть паралельно головній оптичній осі, відхиляються за збирає лінзою (рис. 23, а) Так, що збираються в точці, яка називається фокусом. У розсіює лінзі промені, що йдуть паралельно головній оптичній осі, відхиляються так, що в фокусі, що знаходиться з боку падаючих променів, збираються їх продовження (рис. 23, б). Відстань до фокусів з однієї й іншої сторони тонкої лінзи однаково і не залежить від профілю правої і лівої поверхонь лінзи.

Для нормального ока він розташований на нескінченності.  Око ясно бачить об'єкт, тільки якщо його зображення утворюється на сітківці. У спокої незахищений око бачить легко різні об'єкти. З іншого боку, коли об'єкт знаходиться на кінцевій відстані від ока, м'язи спотворюють лінзу, щоб зробити її більш сходящейся, щоб сформувати зображення на сітківці: це феномен розміщення.

Знайдіть положення і розмір зображення за допомогою графічної конструкції. Яку функцію виконує об'єктив, який використовується в цих умовах? Обчисліть відстань, яке має відокремити об'єкт від об'єктива, щоб людина могла спостерігати збільшене зображення без розміщення? Зробіть графічну конструкцію.  Вправа 2 Око порівнюється з його моделлю, тобто з конвергентної лінзою, зі змінним ступенем вірності і з екраном. Камера повинна дати реальний реальний образ, який повинен формуватися в площині плівки.

Мал. 22. Плоско-опукла ( а), Двоопуклої ( б), Плоско-увігнута ( в) І Двояковогнутая ( г) Лінзи.

Мал. 23. Хід променів, що йдуть паралельно головній оптичній осі, в збирає (а) і розсіює (б) лінзах.

Луч, що йде через центр лінзи (рис. 24, а   - збирає лінза, рис. 24, б   - рассеивающая лінза), що не заломлюється.

Розрахунок оптичних комбінацій

Щоб проілюструвати принцип роботи камери, мета моделюється тонкою лінзою. Фокусування на об'єкті, який буде сфотографуватися, який в цьому випадку є автоматичним, встановлює відстань між лінзами між 50 і 55 мм, так що зображення формується на плівці. Покажіть, що всі об'єкти, що знаходяться на відстані 10 м від об'єктива, можна розглядати на нескінченності. Чи можемо ми мати на плівці весь образ дитини і дерева? Методи розрахунку оптичних комбінацій, які ми збираємося вивчити, в принципі обмежені тонкими лінзами і променем світла, які відстоять від осі і кут відкриття яких менше 3.

Мал. 24. Хід променів, що йдуть через оптичний центр   Про , В збирає (а) і розсіює (б) лінзах.

Промені, що йдуть паралельно один одному, але не паралельно головній оптичній осі, перетинаються в точці (побічну фокусі) на фокальній площині, Яка проходить через фокус лінзи перпендикулярно головній оптичній осі (рис. 25, а   - збирає лінза, рис. 25, б   - рассеивающая лінза).

Світлові промені називаються параксіальними. є умовами апроксимації Гаусса. На практиці точність обчислень буде тим більш змінюватися в міру того, як ми віддаляємося від цих меж. У цьому розділі ми розглянемо централізовані оптичні системи. Кажуть, що система сферичних лінз центрована, коли центри кривизни різних діоптрій, складових лінзи, вирівняні по лінії, званої оптичної віссю системи.

Малюнок 1 ілюструє угоди, які ми будемо використовувати. Він являє собою конвергентну лінзу. Він має два спалахи. Малюнок 1: Угоди про схемах, представлені в іншій частині тексту. Малюнок 2: Чудові радіуси, які дозволяють нам визначити положення зображення.

Мал. 25. Хід паралельних пучків променів в збирає (а) і розсіює (б) лінзах.

.

При побудові (рис. 26) зображення будь-якої точки (наприклад, кінчика стрілки) за допомогою збиральної лінзи, з цієї точки випускають два променя: паралельно головній оптичній осі і через центр O   лінзи.

Мал. 26. Побудова зображень в збирає лінзі

Залежно від відстані від стрілки до лінзи можна отримати чотири типи зображення, характеристики яких описані в таблиці 2. При побудові зображення відрізка, перпендикулярного головної оптичної осі, його зображення виявляється також відрізком, перпендикулярним головної оптичної осі.

В разі розсіює лінзи  зображення предмета може вийти тільки одного типу - уявне, зменшене, пряме. У цьому легко переконатися, провівши аналогічні побудови кінця стрілки за допомогою двох променів (рис. 27).

Таблиця 2

відстань Зображення становить половину розміру об'єкта, і воно змінюється на протилежне. Остання точка вказується негативним знаком збільшення. Розглянемо тепер окремий випадок фігури. Малюнок 5: Зображення об'єкта, розташованого в два рази більше фокусної відстані. Збирає лінза Характерні промені Відстань від об'єктива до об'єкта вдвічі більше фокусної відстані. У цьому випадку відстань між об'єктивом і зображенням має однакове значення. Збільшення є унітарною. Зображення має той же розмір, що і об'єкт, але все ще інвертується. від предмета до лінзи	характеристика зображення
0 <<	Уявне, збільшене, пряме У наступному прикладі показана об'єктив Барлоу, встановлений за об'єктивом. Лінза Барлоу - це розходиться оптичний пристрій, розроблене Пітером Барлоу, яке збільшує фокусну відстань об'єктива. Малюнок 6: Об'єктив з подальшою лінзою Барлоу. Ми наочно визначимо положення результуючого фокуса. Цей промінь не відхиляється другий лінзою. Розглянемо тепер радіус, паралельний осі, який бере участь в первинному зображенні тієї ж точки, забарвлений в помаранчевий колір. Звідти ми пофарбували його в червоний колір. Перетин цих двох променів вказує положення результуючого зображення, тобто результуючого фокуса.
<< 2

  Предмет АВ знаходиться за фокусом розсіює лінзи.

Знову використовуємо «зручні» промені: перший промінь йде паралельно до головної оптичної осі і заломлюється лінзою так, що його продовження проходить через фокус (пунктир на малюнку); другий промінь, що не заломлюючись, проходить через оптичний центр лінзи.

На перетині другого променя і продовження ходу першого променя маємо зображення точки - точку В1. Опускаємо перпендикуляр на головну оптичну вісь з точки В1 і отримуємо точку А1 - зображення точки А.

Отже, А1 В1 - зменшене, пряме, уявне зображення, розташоване між уявним фокусом і лінзою.

Розглянемо кілька випадків побудови зображень в залежності від місця, де знаходиться предмет.

На малюнку 2.9 зображений той випадок, коли предмет знаходиться рівно між лінзою і фокусом лінзи, значить, збільшене зображення вийде прямо в фокусі.

На малюнку 2.10 предмет знаходиться на відстані в фокусної від лінзи, і ми отримуємо зображення предмета посередині між фокусом і лінзою.

Лекція 3. Прості оптичні прилади.

3.2 Мікроскоп.

3.3 Телескоп.

3.4 Фотоапарат.

лупа

Одним з найпростіших оптичних приладів є лупа - збирає лінза, призначена для розглядання збільшених зображень малих об'єктів. Лінзу підносять до самого оці, а предмет поміщають між лінзою і головним фокусом. Око побачить уявне і збільшене зображення предмета. Зручніше за все розглядати предмет через лупу абсолютно ненапруженим оком, акомодувати на нескінченність. Для цього предмет поміщають в головній фокальній площині лінзи так, що промені, що виходять з кожної точки предмета, утворюють за лінзою паралельні пучки. На малюнку зображено два таких пучка, що йдуть від країв предмета. Потрапляючи в акомодувати на нескінченність очей, пучки паралельних променів фокусуються на сітківці і дають тут виразне зображення предмета.

Найпростішим приладом для візуальних спостережень є лупа. Лупою називають збирає лінзу з малим фокусною відстанню. Лупу розташовують близько до ока, а розглянутий предмет - в її фокальній площині. Предмет видно через лупу під кутом.

де h - розмір предмета. При розгляданні цього ж предмета неозброєним оком його слід розташувати на відстані найкращого зору нормального ока. Предмет буде видно під кутом

Звідси випливає, що кутове збільшення лупи одно

Лінза з фокусною відстанню 10 см дає збільшення в 2,5 рази.

Рис 3. 1 Дія лупи: а - предмет розглядається неозброєним оком з відстані найкращого зору; б - предмет розглядається через лупу з фокусною відстанню F.

Відносна збільшення

Око знаходиться дуже близько до лінзи, тому за кут зору можна прийняти кут 2β, утворений променями, що йдуть від країв предмета через оптичний центр лінзи. Якби лупи не було, нам довелося б поставити предмет на відстані найкращого зору (25 см) від ока і кут зору був би рівний 2γ. Розглядаючи прямокутні трикутники з катетами 25 см і F см і позначаючи половину предмета Z, можемо написати:

(3.4)

2β - кут зору, при спостереженні через лупу;

2γ - кут зору, при спостереженні неозброєним оком;

F - відстань від предмета до лупи;

Z - половина довжини розглянутого предмета.

Беручи до уваги, що через лупу розглядають зазвичай дрібні деталі (а отже, кути γ і β малі), можна тангенси замінити кутами. Таким чином, вийде такий вираз для збільшення лупи:

Отже, збільшення лупи пропорційно, тобто її оптичній силі.

3.2 Мікроскоп .

Мікроскоп застосовують для отримання великих збільшень при спостереженні дрібних предметів. Збільшене зображення предмета в мікроскопі виходить за допомогою оптичної системи, що складається з двох короткофокусних лінз - об'єктива O1 і окуляра O2 (рис. 3.2). Об'єктив дасть дійсне перевернуте збільшене зображення предмета. Це проміжне зображення розглядається оком через окуляр, дія якого аналогічно дії лупи. Окуляр розташовують так, щоб проміжне зображення знаходилося в його фокальній площині; в цьому випадку промені від кожної точки предмета поширюються після окуляра паралельним пучком.

Уявне зображення предмета, що розглядається через окуляр, завжди перевернуто. Якщо ж це виявляється незручним (наприклад, при прочитанні дрібного шрифту), можна перевернути сам предмет перед об'єктивом. Тому кутове збільшення мікроскопа прийнято вважати позитивною величиною.

Як випливає з рис. 3.2, кут зору φ предмета, що розглядається через окуляр в наближенні малих кутів

Наближено можна покласти d ≈ F1 і f ≈ l, де l - відстань між об'єктивом і окуляром мікроскопа ( «довжина тубуса»). При розгляданні того ж предмета неозброєним оком

В результаті формула для кутового збільшення γ мікроскопа набуває вигляду

Хороший мікроскоп може давати збільшення в кілька сотень разів. При великих збільшеннях починають проявлятися дифракційні явища.

У реальних мікроскопів об'єктив і окуляр представляють собою складні оптичні системи, в яких усунуті різні аберації.

телескоп

Телескопи (зорові труби) призначені для спостереження віддалених об'єктів. Вони складаються з двох лінз - зверненої до предмету щороку збирає лінзи з великою фокусною відстанню (об'єктив) і лінзи з малим фокусною відстанню (окуляр), зверненої до спостерігача. Зорові труби бувають двох типів:

1) Зорова труба Кеплера, Призначена для астрономічних спостережень. Вона дає збільшені перевернуті зображення віддалених предметів і тому незручна для земних спостережень.

2) Зорова труба Галілея, Призначена для земних спостережень, що дає збільшені прямі зображення. Окуляром в трубі Галілея служить рассеивающая лінза.

На рис. 15 зображений хід променів в астрономічному телескопі. Передбачається, що очей спостерігача акомодувати на нескінченність, тому промені від кожної точки віддаленого предмета виходять з окуляра паралельним пучком. Такий хід променів називається телескопічним. У астрономічної трубі телескопічний хід променів досягається за умови, що відстань між об'єктивом і окуляром дорівнює сумі їх фокусних відстаней.

Зорову трубу (телескоп) прийнято характеризувати кутовим збільшенням γ. На відміну від мікроскопа, предмети, які спостерігаються в телескоп, завжди віддалені від спостерігача. Якщо віддалений предмет видно неозброєним оком під кутом ψ, а при спостереженні через телескоп під кутом φ, то кутовим збільшенням називають відношення

Кутовому збільшенню γ, як і лінійному збільшенню Γ, можна приписати знаки плюс або мінус в залежності від того, є зображення прямим або перевернутим. Відносна збільшення астрономічної труби Кеплера негативно, а земної труби Галілея позитивно.

Відносна збільшення зорових труб виражається через фокусні відстані:

В якості об'єктива в великих астрономічних телескопах застосовуються не лінзи, а сферичні дзеркала. Такі телескопи називаються рефлекторами. Гарне дзеркало простіше виготовити, крім того, дзеркала на відміну від лінз не мають хроматичної аберацією.

У Росії побудований найбільший в світі телескоп з діаметром дзеркала 6 м. Слід мати на увазі, що великі астрономічні телескопи призначені не тільки для того, щоб збільшувати кутові відстані між що спостерігаються космічними об'єктами, але і для збільшення потоку світлової енергії від слабосветящіхся об'єктів.

Розберемо схему і принцип роботи деяких широко поширених оптичних приладів.

фотоапарат

  Фотоапарат - прилад, найважливішою частиною якого є збірна система лінз - об'єктив. При звичайному аматорському фотографуванні предмет розташований за подвійним фокусною відстанню, тому зображення буде між фокусом і подвійним фокусною відстанню, дійсне, зменшене, перевернуте (рис. 16).

Рис 3. 4

На місце цього зображення поміщається фотоплівка або фотопластинка (покриті світлочутливої ​​емульсією, що містить бромисте срібло), на деякий час відкривається об'єктив - плівка експонується. На ній з'являється приховане зображення. Потрапляючи в спеціальній розчин - проявник, «засвічені» молекули бромистого срібла розпадаються, бром несеться в розчин, а срібло виділяється у вигляді темного нальоту на засвічених частинах платівки або плівки; чим більше світла потрапило при експозиції на дане місце плівки, тим темніше воно стане. Після прояви і промивання необхідно зображення закріпити, для чого його поміщають в розчин - закріплювач, в якому розчиняється і несеться з негативу не засвічені бромисте срібло. Виходить зображення того, що було перед об'єктивом, з перестановкою відтінків - світлі частини стали темними і навпаки (негатив).

Для отримання фотографії - позитиву - необхідно через негатив висвітлити на деякий час фотопапір, покриту таким же бромистим сріблом. Після її прояви і закріплення вийде негатив з негатива, т. Е. Позитив, в якому світлі і темні частини будуть відповідати світлим і темним частинам предмета.

Для отримання якісного зображення велике значення має наводка на різкість - поєднання зображення і плівки або платівки. Для цього у старих фотоапаратів робилася рухомий задня стінка, замість світлочутливої ​​пластинки вставлялася матова скляна; рухаючи останню, на око встановлювали різке зображення. Потім замінювали скляну пластинку світлочутливої ​​і виробляли фотозйомку.

В сучасних фотоапаратах для наведення на різкість використовується висувний об'єктив, пов'язаний з далекоміром. При цьому незмінними залишаються все величини, що входять в формулу лінзи, змінюються відстань між об'єктивом і плівкою до збігу з f. Для збільшення глибини різкості - відстаней уздовж головної оптичної осі, на яких предмети зображуються різко, - діафрагмірует об'єктив, т. Е. Зменшують його отвір. Але це зменшують кількість світла, що потрапляє в апарат, і збільшує час необхідної експозиції.

Освітленість зображення, для якого джерелом світла є об'єктив, прямо пропорційна площі його отвори, яка, в свою чергу, пропорційна квадрату діаметра d2. Освітленість також обернено пропорційно квадрату відстані від джерела до зображення, в нашому випадку майже квадрату фокусної відстані F. Отже, освітленість пропорційно дробу, яку називають світлосилою об'єктива. Корінь квадратний з світлосили називають відносним отвором і зазвичай вказують на об'єктиві у вигляді напису:. Сучасні фотоапарати забезпечуються цілим рядом пристосувань, що полегшують працю фотографа і розширюють його можливості (автозапуск, набір об'єктивів з різними фокусними відстанями, експонометри, в тому числі автоматичні, автоматична або напівавтоматична наводка на різкість і т.д.). Широко поширена кольорова фотографія. В процесі освоєння - фотографія об'ємна.

око

Людське око з оптичною точки зору являє собою такий же фотоапарат. Таке ж (дійсне, зменшене, перевернуте) зображення створюється на задній стінці ока - на світлочутливому жовтій плямі, в якому зосереджені особливі закінчення зорових нервів - колбочки і палички. Їх роздратування світлом передається нервах в мозок і викликає відчуття бачення. У очі є об'єктив - кришталик, діафрагма - зіниця, навіть кришка об'єктива повіку. Багато в чому очей досконаліше сучасних фотоапаратів. Він автоматично наводиться на різкість - виміром кривизни кришталика під дією очних м'язів, т. Е. Зміною фокусної відстані. Автоматично діафрагмірует - звуженням зіниці при переході з темного приміщення в світле. Око дає кольорове зображення, «запам'ятовує» зорові образи. Взагалі, біологи і медики прийшли до висновку, що очей - винесена на периферію частина мозку.

Зір двома очима дозволяє бачити предмет з різних сторін, т. Е. Здійснювати об'ємний зір. Експериментально доведено, сто при баченні одним оком картина з 10 м здається плоскою (при базі - відстань між крайніми точками зіниці, - що дорівнює діаметру зіниці). Дивлячись двома очима, ми бачимо плоскою картину з 500 м (база - відстань між оптичними центрами кришталиків), т. Е. Можемо на око визначити розміри предметів, який і на скільки ближче або далі.

Для збільшення цієї здатності треба збільшити базу, це здійснюється в призматичному біноклі і в різного роду далекомірах (рис. 3.5).

Але, як все на світі, навіть таке досконале створіння природи, як очей, не позбавлене недоліків. По-перше, око реагує тільки на видиме світло (і при цьому за допомогою зору ми сприймаємо до 90% всієї інформації). По-друге, очей схильний багатьох захворювань, найпоширенішим з яких є короткозорість - промені зводяться ближче сітківки (рис. 3.6) і далекозорість - різке зображення за сітківкою (рис. 3.7).

Схожі статті