Реферат: Геометрическая и физическая оптика

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.

Подзорная труба состоит из двух линзовых систем - объектива и окуляра. Подзорная труба с собирающим окуляром называется трубой Кеплера, труба с рассеивающим окуляром - трубой Галилея. Предмет находится на очень большом расстоянии от объектива. В трубе Кеплера за фокусом объектива возникает промежуточное изображение В'. Оно расположено на расстоянии от окуляра, меньшем его фокусного расстояния. Перед окуляром возникает увеличенное мнимое и перевернутое окончательное изображение В. Увеличение, даваемое трубой Кеплера, равно:

N =

где f₁ - фокусное расстояние объектива, f₂ - фокусное расстояние окуляра. Длина данной подзорной трубы будет равна:

l = f₁ + f₂ .

Наличие промежуточного изображения В' в трубе Кеплера позволяет снабжать ее измерительной шкалой или фотопластинкой, помещенной в плоскость расположения промежуточного изображения В'. Поэтому труба Кеплера находит широкое применение в астрономии. В трубе Галилея между объективом и окуляром не создается промежуточное изображение. Эта труба создает мнимое увеличенное прямое изображение В. Труба Галилея дает несильное увеличение удаленного предмета. Поэтому ее используют в театральных биноклях.

Кроме телескопов, построенных по типу подзорных труб - рефракторов, широкое применение получили зеркальные, или отражательные, телескопы – рефлекторы.

Другим примером оптического прибора является фотоаппарат. В нем используется одно из свойств линзы, заключающееся в том, что при расположении предмета на расстоянии, большем двойного фокусного расстояния, линза дает его действительное уменьшенное изображение. Фотоаппарат состоит из объектива, обычно состоящего из нескольких линз, светонепроницаемого корпуса, видоискателя, диафрагмы и затвора. В светонепроницаемый корпус фотоаппарата помещают фотопленку, чувствительную к действию света. На ней объектив фотоаппарата создает действительное уменьшенное изображение фотографируемого предмета. Для получения четкого изображения предмета, который может быть расположен на разных расстояниях от фотоаппарата, объектив перемещают относительно фотопленки, результат наводки на резкость обычно контролируется через видоискатель. В зависимости от условий освещенности и чувствительности фотопленки путь свету от объектива к фотопленке открывается с помощью затвора на определенный интервал времени, обычно на сотые доли секунды. Световой поток регулируется и кольцевым отверстием в диафрагме за объективом, диаметр которого можно плавно изменять.

Предшественницей фотоаппарата можно считать приспособление, известное с давних времен, - так называемую камеру-обскуру. Явление, которое используется в камере-обскуре, было известно еще в древнем Китае. Если в темное помещение через небольшое отверстие или щель проникает луч света, то на стенке возникает довольно четкая картина. Кто-то догадался просверлить в ящике маленькое отверстие и на противоположной стенке, на вставленном в нее матовом стекле, наблюдать изображения пейзажей и людей. Так появилась камера-обскура (по-латыни obscurus - темный).

А когда вместо отверстия, выполняющего роль объектива, применили увеличительное стекло, изображение стало настолько четким, что человеку захотелось обвести его карандашом и раскрасить. Правда, картинка получалась «вверх ногами», поэтому для устранения этой погрешности к задней стенке ящика приставили наклонно зеркало. Оно проецировало изображение на матовое стекло, вделанное в крышку, в результате чего верх и низ располагались как положено (правда, при этом менялись местами правая и левая сторона). А поскольку с помощью камеры-обскуры рисунки делались главным образом для гравирования, то больше ничего исправлять не надо было - оттиски с гравюры полностью соответствовали оригиналу. Для работы на ярком солнце применялись небольшие темные палатки. Художник с камерой сидел внутри, а наружу высовывался только объектив - трубка с линзой.

В двадцатых годах XIX века был открыт способ химического закрепления изображения на светочувствительной пластинке, вставленной в камеру-обскуру вместо матового стекла. Самую первую фотографию удалось получить французу Жозефу Нисефору Ньепсу (1765-1833). С той поры камера-обскура превратилась в известный всем нам фотоаппарат.

Как мы видим , для решения большинства задач практической оптики вполне достаточно средств геометрической оптики. Однако существует ряд проблем, связанных с волновой природой света. Решением этих проблем, относящихся главным образом к вопросам взаимодействия света и вещества, а также к вопросам разрешающей силы оптических приборов, занимается физическая оптика.