Оптика

Оптика

оглавление.

Введение. 2

Глава 1. Основные законы оптических явлений. 4

1.1 Закон прямолинейного распространения света. 4

1.2 Закон независимости световых пучков. 5

1.3 Закон отражения света. 5

1.4 Закон преломления света. 5

Глава 2. Идеальные оптические системы. 7

Глава 3. Составляющие оптических систем. 9

3.1 Диафрагмы и их роль в оптических системах. 9

3.2 Входной и выходной зрачки. 10

Глава 4. Современные оптические системы. 12

4.1 Оптическая система. 12

4.2 Фотографический аппарат. 13

4.3 Глаз как оптическая система. 13

Глава 5. Оптические системы, вооружающие глаз. 16

5.1 Лупа. 17

5.2 Микроскоп. 18

5.3 Зрительные трубы. 20

5.4 Проекционные устройства. 21

5.5 Спектральные аппараты. 22

5.6 Оптический измерительный прибор. 23

Заключение. 28

Список литературы. 29

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 ?

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.

А

B'

A'

В

200 см

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 ? и

преломления ? (рис.3) связаны законом преломления Снелля :

n1sin? = n2sin? или = n,

где n – постоянная , не зависящая от углов ? и ?. 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 ? больше угла падения ?; 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. [ 3 ]

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.

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 . [ 3 ]

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 ММ1

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.

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.

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 ]

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.

[ 3 ]

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 ]

4.2 Фотографический аппарат.

Оптический 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 О.

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

Страницы: 1, 2