Лекция 45

Лекция 45
Тема:
Оптические приборы: фотоаппарат, проекционный аппарат, лупа,
микроскоп, труба Кеплера, труба Галилея. Увеличение оптического прибора.
Дефекты оптических приборов. Глаз, как оптическая система. Дефекты зрения.
Оптическая система глаза состоит из хрусталика – собирающей линзой, которая
под действием специальных мышц может менять свою кривизну, а следовательно и
фокусное расстояние. Таким образом происходит приспособления глаза для видения на
разных расстояниях. Этот процесс называетя аккомодацией. Ля нормального глаза
аккомодация происходит в пределах от бесконечности (глазная мышца ненапряжена) до
25 см, когда изображение максимально. Ближе 25 см мышца чрезмерно утомляется,
появляются болезненные ощущения. Расстояние в 25 см называется расстоянием
наилучшего зрения. Изображение формируется на задней стенке глаза – сетчатке, которая
является окончанием зрительного нерва и состит из колбочек и палочек. (Колбочки
отвечают за цветное зрение). Нарушение цветного восприятия называется дальтонизм.
Снаруже глаз покрыт защитной оболочкой – склерой. Передняя, прозрачная часть склеры
называется роговицей. За роговицей располагается радужня оболочка, в котрой имеется
отверстие – зрачок. В зависимости от интенсивности падающего света размеры зрачка
могут изменятся от 2 до 8 мм. Внутренняя часть глаза заполняет стекловидное тело.
Строение глаза приведено на рис. 1.
У многих людей аккомодация на дальние расстояния невозможна. Такой деффект зрения
называется близорукостью (рис. 2а). Для коррекции близорукости используются очки с
рассеивающими линзами. Дальнозоркость – деффект зрения, при котором изображение
получается за сетчаткой. Коррекция дальнозоркости осуществляется с помощью
собирающих линз (рис. 2б).
Оптические приборы, вооружающие глаз.
Главной характеристикой оптического прибора является его угловое увеличения.чем
больше угол под которым виден рассматривемый объект, тем более крупным будет его
изображение на сетчатке глаза.
Угловое увеличение прибора это отношение угла зрения при наблюдении
объекта с помощью прибора к углу зрения невооруженным глазом.
1. Лупа. Лупа является простейшим прибором для наблюдени мелких предметов.
Пусть h –высота рассматриваемого
объекта. Тогда максимальноый угол
зрения для невооруженного глаза
где d0 – расстояние наилучшего
зрения. Для наблюдения с помощью
лупы, объект помещают обычно в ее
фокус (рис. 3). В это случае лучи
попадают в глаз параллельными
пучками, что соответствует видению
ненапряженным глазом. Тогда в лупе
предмет виден под углом
Угловое увеличение лупы
. Увеличение можно увеличит, если передвинуть
объект ближе к линзе, таким образом, чтобы получилось его мнимое изображение
на расстоянии наилучшего зрения.
(f=d0). Увеличение в
таком случае
Мнимые изображения мы можем видеть благодаря хрусталику, который
формирует на сетчатке действительное изображение.
2. Микроскоп. Для получения больших, чем с помощью лупы, применяется
микроскоп. Микроскоп состоит из
двух собирающих линз объектива
и окуляра (рис. 4). Пусть F1 и F2 –
фокусны расстояни объектива и
окуляра соответсвенно. Объектив
дает увеличенное действительное
изображение объекта.
Увеличение даваемое объективом
Обычно изображение
формируется в фокальной плоскости окуляра. В этом случае выражение f-F1 - это
расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра. Это
расстояние называется оптической длиной тубуса микроскопа и обозначается .
Угол зрения через окуляр
Так как h=φ0*d0, то угловое увеличение микроскопа

Волновая природа света, а именно дифракция света, накладывает ограничения на
увеличение оптических микроскопов (обычно не более 1500 крат). Для больших
увеличений применяют электронные микроскопы, в которых используются не лучи
света, а электронные пучки.
3. Труба Кеплера. Для наблюдения удаленных предметов используются зрительные
трубы, бинокли (две трубы, соединенные вместе) и телескопы. Простейший
вариант зрительной трубы это труба Кеплера, в которой объективом и окуляром
служат собирающие линзы (рис. 5а).
Так как, лучи идут от очень далеких объектов, то они параллельны, а следовательно
объектив дает действительное изображение в своей фокальной плоскости и в фокальной
плоскости окуляра.
то есть увеличение трубы равно тношению фокусных расстояний объектива и окуляра, а
ее длина L=F1+F2. Труба Кеплера дает перевернутые изображения предметов и поэтому
применяется в телескопах – рефракторах призменных бинноклях, в которых изображение
вторично переворачивается с помощью призм.
4.
Труба Галилея. В ней, в качестве окуляра, применена рассеивающая линза,
поэтому изображение получается мнимое, прямое. Главное применение – театральные
бинокли, зрительные трубы.
5.
Телескопы. В зависимости от типа объектива, телескопы делятся на рефракторы –
объектив собирающая линза и рефлекторы – в качестве объектива используется
собирающее зеркало. Для телескопов существенное значение имеет диаметр объектива,
так как, чем он больше, тем больше попадает света, тем более слабые и удаленные
источники света можно наблюдать с его помощью. Изготовить крупное зеркало
существенно проще, чем линзу, поэтому самый крупный рефрактор имеет диаметр
объектива около 1 метра, а рефлектор более 10 метров. Кроме этого, линзы обладают
дефектами, отсутствующие у зеркал. К ним относятся сферическая и хроматическая
аберрации. Сферическая аберрация связана с тем, что в реальной линзе, лучи, падающие
на периферические области преломляются сильнее и поэтому только узкие (приосевые)
лучи собираются в фокусе линзы. В результате изображение получается размытым.
Устранить это можно с помощью комбинации двух линз: собирающей и рассеивающей,
которые склеивают вместе. Хроматическая аберрация появляется из-за того, что лучи
разных длин волн преломляются по-разному. В результате края изображения получают
радужную окраску. Дефект так же устраняется подбором системы собирающих и
рассеивающих линз.
6.
Фотоаппарат. Принцип действия приведен в лекции 44. Объектив фотоаппарата
дает уменьшенное, перевернутое и действительное изображение объектов, находящихся
на расстоянии >2F. Самой сложной и дорогой частью фотоаппарата является объектив,
который состоит из системы линз, позволяющий получать качественные изображения.
7.
Проекционный аппарат. Принцип получения изображения проекционным
аппаратом был, так же, рассмотрен в 44 лекции.
При решении задач на оптические системы, нужно иметь ввиду:
1. Если две линзы сложены вплотную, так, что их оптические оси совпадают, то
оптическая сила такой системы равна сумме оптических сил каждой линзы.
2. В ином случае нужно последовательно рассмотреть прохождение лучей через
каждую линзу, причем изображение даваемое первой линзой будет служить
предметом для другой и т.д. В этом случае возможен мнимый источник света. Для
определение главных фокусов такой системы необходимо направить пучок лучей
параллельных главной оптической оси и определить точку схождения лучей после
прохождения системы.