Геометрическая и физическая оптика

Погрешности оптических систем называются аберрациями. Они возникают в результате использования широких световых пучков, применяемых для получения большей освещенности предметов, а также при получении изображений предметов, значительно удаленных от главной оптической оси оптического прибора (например, при фотографировании). При отсутствии аберрации каждой точке изображения однозначно соот

ветствует точка предмета. Это может быть достигнуто в том случае, когда изображение образуется узкими световыми пучками, падающими на оптическую систему под малыми углами к ее главной оптической оси. В реальных оптических системах эти условия выполняются очень редко. Например, сферические линзы только приближенно удовлетворяют этим требованиям. В результате изображение получается недостаточно резким, мелкие детали становятся неразличимыми. Для уменьшения аберрации применяют системы линз.

Существует два основных вида аберрации - сферическая и хроматическая. Сферическая аберрация возникает в результате того, что периферия линзы преломляет лучи света сильнее, чем центральная ее часть. К примеру, линза большого диаметра дает изображение точечного источника не в виде точки, а в виде расплывчатого светлого пятна. Это явление обусловлено использованием широких пучков световых лучей. Получаемые с их помощью изображения являются нерезкими, расплывчатыми. Для повышения резкости изображения оптическую систему снабжают узким отверстием (диафрагмой), через которое пропускают пучок света. Сферическую аберрацию также компенсируют путем комбинации собирающей и рассеивающей линз, подобранных соответствующим образом.

Хроматическая аберрация связана с зависимостью показателя преломления оптических стекол от длины волны падающего на них света. Линзы из таких стекол преломляют синий свет сильнее, чем красный. В результате края изображения, полученного с помощью белого света, приобретают цветную кайму. Для ослабления хроматической аберрации применяют систему из выпуклой и вогнутой линз из особых материалов (так называемая ахроматическая пара линз). Полная компенсация хроматической аберрации возможна лишь для двух значений длин волн.

Кроме того, существуют и другие виды аберрации, к которым относят дисторсию, астигматизм и кому. Дисторсия представляет собой погрешность оптической системы, в результате которой изображение прямоугольной сетки приобретает подушкообразную или бочкообразную форму. Прямые линии искривляются наружу или внутрь, особенно у края изображения. Астигматизм возникает тогда, когда световые пучки (даже узкие) составляют значительный угол с главной оптической осью системы. Кома представляет собой погрешность оптической системы, возникающую при прохождении через нее широких пучков света от точки предмета, находящейся на побочной оптической оси. Изображение этой точки имеет вид вытянутого и неравномерно освещенного пятна в форме кометы. Для коррекции этих видов аберрации используются сложные оптические системы, элементы которых подобраны так, что они взаимно компенсируют возникающие погрешности.

В процессе исследования окружающего мира у человека появилась потребность в приборах, позволяющих получать изображения различных объектов и увеличивать угол зрения. Так возникли оптические приборы. Например, для получения изображения человек придумал проектор, фотоаппарат и т.д., а для увеличения угла зрения - микроскоп, телескоп, лупу, бинокль, подзорную трубу и многое другое.

В процессе эволюции сформировался самый древний оптический прибор, подаренный нам природой, - глаз. Этот орган на протяжении всей человеческой истории является основным инструментом для познания окружающего мира.

Рассмотрим оптическую систему глаза.

Роговая оболочка (роговица). Прозрачна и имеет в средней части сферическую форму. На ее границе с воздухом происходит преломление света, играющее основную роль при построении изображений предметов на сетчатке глаза.

Зрачок глаза. Способен менять свой диаметр в зависимости от освещения от 2 до 8 миллиметров.

Радужная оболочка. Практически непроницаема для лучей света.

Хрусталик. Имеет форму двояковыпуклой линзы, осуществляет дополнительное преломление света. Радиус кривизны хрусталика изменяется под действием специальной мышцы. Этот процесс называется аккомодацией. Путем аккомодации изменяется фокусное расстояние оптической системы глаза и получается четкое изображение предмета на сетчатке.

Твердая белковая оболочка. Покрывает глаз и выполняет защитную функцию.

Сосудистая оболочка. Содержит сеть кровеносных сосудов, питающих глаз.

Сетчатая оболочка. Является светочувствительным слоем, содержащим разветвления зрительного нерва. Световоспринимающими элементами сетчатки являются окончания волокон зрительного нерва, делящиеся на два вида - колбочки и палочки. Колбочки обладают большей разрешающей способностью и чувствительностью к цвету. Их чувствительность к свету невелика. Палочки, обладая незначительной разрешающей способностью и нечувствительностью к цвету, напротив, очень чувствительны к свету.

Желтое пятно. Представляет собой углубление в средней части сетчатки. Это наиболее светочувствительное место глаза, содержащее только колбочки.

Слепое пятно. Нечувствительно к свету; является местом входа зрительного нерва в глазное яблоко.

Пространство между роговой оболочкой и хрусталиком называется передней камерой. Оно заполнено камерной влагой. Пространство между хрусталиком и сетчаткой заполнено стекловидным телом - прозрачным студенистым веществом. Центр вращения глазного яблока находится внутри глаза примерно на расстоянии 13 миллиметров от вершины роговой оболочки. Линия, соединяющая главную точку хрусталика с центральным углублением желтого пятна, называется зрительной осью глаза или линией наилучшего видения.

Лучи света, преломляясь на границе раздела системы «роговица - воздух», а затем в хрусталике, создают на сетчатке перевернутые изображения предметов. В нормальном здоровом глазе они всегда четкие благодаря способности хрусталика к аккомодации. Дальнейшая обработка изображения происходит уже в головном мозге. Кроме того, глаз обладает способностью приспосабливаться к различным уровням яркости, называющейся адаптацией.

Существует несколько видов нарушений нормального функционирования оптической системы глаза. Если оптическая система глаза дает изображение далеких предметов за сетчаткой, то человек страдает дальнозоркостью (гиперметропией). При близорукости глаза (миопии) изображение получается перед сетчаткой.

Одним из первых оптических приборов, наряду с лупой и очками, является подзорная труба, впоследствии ставшая основой для создания более совершенного оптического прибора - телескопа. История называет три имени возможных авторов изобретения подзорной трубы одновременно - Лиспергея, Мециуса, Янсена. Однако решающий шаг в ее изобретении был сделан Галилеем в 1609 году, когда он построил действующую зрительную трубу. Свое изобретение Галилей использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом целый ряд важнейших астрономических открытий.

 Скачать реферат