Оптичні прилади; Базові знання фізики
Око¶
З точки зору геометричної оптики, око складається з системи лінз з двох сходяться лінз - по-перше, криволінійного шару рогівки, а по-друге, очної лінзи, яка може деформуватися круговим м'язом. Зображення, створене лінзами, проходить уздовж сітківки. Є сенсорні клітини (палички і колбочки), які поглинають падаючі промені світла і передають відповідні сигнали в мозок через зоровий нерв.
Схематична будова ока.
Для того, щоб зображення було сприйняте, на сітківку має надходити достатньо світла. Розмір зіниці контролює, скільки світла потрапляє в око; Зіниця стискається, коли надто багато світла потрапляє в око і може пошкодити сенсорні клітини сітківки ("адаптація"). Світлові промені також блокуються райдужкою, яка в іншому випадку потрапляє в край кришталика і може створювати розмиті зображення через сферичну аберацію.
Шлях променя і формування зображення в оці.
Як видно з ходу світлових променів в оці, кришталик ока створює на сітківці перевернуте і зворотне зображення. Тільки в мозку відбувається "переосмислення" (несвідомо), яке, в свою чергу, будує вертикальне зображення з отриманих сигналів зображення. [1]
Рогівка ока має заломлювальну силу приблизно, заломлююча сила (розслабленої) лінзи ока - приблизно. При необхідності м’яз-сфінктер може збільшити заломлювальну силу кришталика ока аж до перегляду предметів поблизу, завдяки чому ця здатність, відома як „акомодація”, може „зменшуватися” лише з віком. У цьому випадку окуляри, що мають збіжну лінзу, необхідні для того, щоб мати можливість розглядати предмети, що знаходяться поруч.
Далеко і короткозорість
Так звана далекозорість або короткозорість є одними з найпоширеніших вад зору.
- При далекозорості очне яблуко «занадто маленьке», тому зображення, створюване кришталиком ока, знаходиться позаду сітківки. У цьому випадку відповідна лінза, що сходяться, може забезпечити засіб, який збільшує заломлювальну силу отриманої системи лінз або зменшує її фокусну відстань.
Далекозорість із зоровою допомогою та без неї.
- При короткозорості очне яблуко «занадто велике», тому зображення, створюване кришталиком ока, знаходиться перед сітківкою. У цьому випадку відповідна розбіжна лінза може забезпечити засіб, який зменшує заломлювальну силу отриманої системи лінз або збільшує її фокусну відстань.
Короткозорість із наочними посібниками та без них.
Обидва дефекти зору можуть бути вродженими, якщо розмір очного яблука відхиляється від "нормального" розміру. У разі короткозорості кришталик ока також може бути викривлений занадто сильно або у випадку короткозорості занадто слабо.
У випадку далекозорості вікове занепад кругового м’яза або затвердіння очної лінзи може призвести до слабкої заломлюючої сили очної лінзи. У цьому випадку кришталик ока більше не може бути зігнутим («пристосованим») настільки, щоб можна було зобразити близькі предмети у фокусі; в цьому випадку йдеться про "пресбіопію". Подібно до вродженої далекозорості, її можна компенсувати збіжною лінзою з відповідною силою заломлення.
Кут зору та роздільна здатність
Наскільки великий об'єкт сприймається, залежить від розміру його зображення, яке створюється на сітківці. Розмір зображення можна визначити графічно, втягуючи центральні промені, що виходять від об'єкта. Кут, який утворюють ці промені, називається кутом огляду.
Зображення кута огляду, під яким переглядається об’єкт з’являється на сітківці.
Чим менший кут огляду, тим менше зображення огляданого об’єкта з’являється на сітківці. Мінімальний кут огляду, необхідний для сприйняття двох точок об'єкта як просторово відокремлених одна від одної, називається роздільною силою (оптичного пристрою). В людському оці кут огляду приблизно одна шістдесята градуса (одна дугова хвилина) необхідний для стимуляції двох різних сенсорних клітин на сітківці ока і, отже, для того, щоб мати можливість сприймати дві об'єктні точки окремо одна від одної (відстань між сенсорними клітинами на сітківці ока становить приблизно). Нормально зоре око зазвичай може сприймати дві точки, відокремлені одна від одної на відстані так званого чіткого зорового діапазону.
Кут огляду можна визначити, використовуючи такі співвідношення
Для малих кутів огляду приблизно таке застосовується в радіанах, а отже:
Одним із способів збільшення кута огляду є наближення об’єкта, що переглядається, до очей або навпаки. Нормально зоре око може фокусуватись лише на відстань навколо; Протягом більш тривалого періоду часу цей напружений зір також сприймається як виснажливий. Використання оптичного пристрою, наприклад лупи, виявляється більш приємним для перегляду дрібних предметів. У цьому випадку збільшення виникає внаслідок того, що об’єкт, що переглядається, з’являється під більшим кутом огляду з таким допоміжним засобом. Формально збільшення оптичного пристрою можна визначити наступним чином:
Телескоп Кеплера¶
Телескоп Кеплера ("телескоп") по суті складається з великої, злегка зігнутої збіжної лінзи як об'єктива та порівняно невеликої, більш сильно вигнутої збіжної лінзи як окуляра. [2]
Телескоп Кеплера зазвичай використовують для огляду об'єктів, що знаходяться дуже далеко і які знаходяться далеко за межами подвоєної фокусної відстані об'єкта. У цьому випадку лінза об'єктива створює зменшене, зворотне і зворотне зображення об'єкта всередині телескопа. Це розглядається в збільшеному вигляді через окуляр, який діє як лупа. [3]
Шлях променя у телескопі Кеплера.
Загалом, телескоп Кеплера призводить до збільшення, яке відповідає відношенню фокусної відстані об'єктива до фокусної відстані окуляра:
(1) ¶
На додаток до (порівняно невеликого) збільшення кута огляду, система лінз телескопа Кеплера гарантує, що вся кількість світла, що падає на об'єктив, фокусується на значно меншій лінзі окуляра і таким чином сприймається оком; зображення, вироблене телескопом, виглядає яскравішим.
Мінімальна довжина телескопа Кеплера дорівнює сумі фокусних відстаней об'єктива та окуляра, тобто. Причиною цього є те, що генеруване проміжне зображення знаходиться (просто) поза фокусною відстанню лінзи і майже на фокусній відстані окуляра.
Світловий мікроскоп¶
У світловому мікроскопі для просвічування зразка, що лежить на мікроскопічному столі, використовується джерело сильного світла, розташоване в основі мікроскопа. Цей об'єкт розглядається через систему з двох сходяться лінз (об'єктив та окуляр).
Відстань між об'єктом, що розглядається, і об'єктивом регулюється шляхом регулювання висоти каскаду мікроскопа таким чином, щоб відстань між об'єктом і одинарною і подвоїла фокусну відстань об'єктива. У цьому випадку об’єктив створює збільшене, перевернуте та зворотне зображення об’єкта всередині трубки.
Шлях променя у світловому мікроскопі. Фіолетові стрілки показують розмір зображення на сітківці або кут огляду без мікроскопа.
(Проміжне) зображення, породжене об'єктивом, розглядається через окуляр, який діє як лупа, з подальшим збільшенням. Повне збільшення мікроскопа відповідає добутку збільшення об'єктива та окуляра.
Телескоп Галілея¶
Телескоп Галілея по суті складається з великої, злегка зігнутої збіжної лінзи як об'єктива та відносно невеликої, набагато сильніше вигнутої, розбіжної лінзи як окуляра.
Шлях променя у телескопі Галілея.
Зазвичай телескоп Галілея використовується для огляду об'єктів, які знаходяться дуже далеко і які перевищують вдвічі більше фокусної відстані об'єкта. Однак, на відміну від телескопа Кеплера, пучки світла, об'єднані об'єктивом об'єктива, не перетинаються всередині телескопа; швидше, падаючі промені знову розсіюються окуляром таким чином, що вони проходять паралельно вихідним променям.
Телескоп "Галілей" не дає проміжного зображення, а лише збільшує кут зору, під яким з'являється об'єкт, що розглядається. Збільшення телескопа Галілея можна розрахувати, як і при телескопі Кеплера, використовуючи (додатні) фокусні відстані та дві лінзи:
(2) ¶
Мінімальна довжина телескопа Кеплера дорівнює різниці між фокусними відстанями об’єктива та окуляра, тобто Причиною цього є те, що фокусна відстань лінзи окуляра підібрана так, щоб фокусні точки обох лінз збігалися. Таким чином, світлові промені, що падають паралельно, у свою чергу зображуються на паралельних променях, коли вони проходять через телескоп.
Ця здатність ще не доступна у новонароджених дітей у перші дні життя; потрібен приблизно тиждень, щоб органи чуття очей “правильно обробляли” мозок.
За допомогою так званих «перевернутих окулярів» протилежний досвід також можна експериментально відтворити в подальшому житті.
Для цього розділу є вправи .